Проектирование и эксплуатация промышленных печей. - Исламов М.Ш.

Автор: Исламов М.Ш.
Теги: методы и оборудование для термической обработки печи промышленные печи
Год: 1986
Похожие
Электрические промышленные печи. В двух частях. Электрические печи сопротивления. Часть первая.
Сооружение промышленных печей
Сушка в химической промышленности
Текст
                    Ш. ИСЛАМОВ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ПЕЧЕИ

М. Ш. ИСЛАМОВ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
И ЭКСПЛУАТАЦИЯ
ПРОМЫШЛЕННЫХ
ПЕЧЕЙ
ЛЕНИНГРАД
„ХИМИЯ"
ЛЕНИНГРАДСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ
1986

6П7.1
И871
УДК 66.041
Исламов М. Ш.
Проектирование и эксплуатация промышленных
печей. — Л.: Химия, 1986. — 280 с, ил.
Впервые изложена системная теория промышленных печей. Рас-
Рассмотрены принципы исследования, вопросы проектирования, конструи-
конструирования и эксплуатации печных комплексов. Даны методики расчетов
печных процессов и прочностных расчетов конструктивных элементов
печей. Освещены вопросы экономической и экологической эффективно-
эффективности печных комплексов, пути оптимизации печных процессов и исполь-
использования вторичных энергоресурсов. Приведены рекомендации по за-
защите окружающей среды.
Предназначена для инженерно-технических работников проектных
и конструкторских организаций, научно-исследовательских институ-
институтов и промышленных предприятий. Будет полезна преподавателям,
аспирантам и студентам вузов.
Библиогр. 34 назв. Ил. 92. Табл. 36.
Рецензент — докт. техн. наук В. А. Ершов
Научный редактор — докт. техн. наук В. Е. Сороко
2801020000-089
050 @1)—86 © Издательство «Химия», 1986

ПРЕДИСЛОВИЕ
Печи являются основным термотехнологическим оборудованием
в металлургической, химической, машиностроительной, силикатной,
хлебопекарной промышленности, в производстве строительных ма-
материалов и т. д.
Дальнейшее развитие отечественной промышленности, оснащен-
оснащенной печами, возможно только при техническом перевооружении их
за счет внедрения прогрессивных термотехнологических процессов,
высокопроизводительных печей, а также интенсификации существу-
существующих печей при их реконструкции.
Разработку новых печных комплексов и реконструкцию суще-
существующих следует проводить в соответствии с системной теорией
печей, которая все протекающие в них процессы рассматривает во
взаимодействии и взаимозависимости как единую химико-терми-
химико-термическую печную систему «материал—среда—футеровка».
Совместное рассмотрение процессов, протекающих в промыш-
промышленных печах, позволяет полнее выявлять и реализовывать скрытые
резервы и возможности печного способа получения целевых продук-
продуктов с учетом экономической и экологической эффективности.
Предлагаемая читателям книга является комплексным трудом
по промышленным печам. В ней излагается системная теория про-
промышленных печей, освещаются принципы их исследования, рас-
рассматриваются проектирование, конструирование и эксплуатация
печей.
Автор выражает признательность рецензенту докт. техн. наук
В. А. Ершову и научному редактору докт. техн. наук В. Е. Сороко
за ценные замечания, которые позволили улучшить книгу.
Автор с благодарностью примет отзывы о книге, замечания и по-
пожелания читателей.

ВВЕДЕНИЕ
Современное промышленное производство оснащено печами раз-
различного термотехнологического назначения и конструктивного
оформления.
Теоретические основы разработки промышленных печей ме-
менялись и совершенствовались с развитием фундаментальных наук,
технологии и практики эксплуатации печей.
Необходимо отменить, что русские и советские ученые внесли
серьезный вклад в развитие теории печей. К ним следует отнести
В. Е. Грум-Гржимайло (гидравлическая теория печей), Н. Н. Добро-
Доброхотова (основные положения общей теории печей), И. Д. Семикина
(энергетическая теория печей), М. А. Глинкова (общая теория пе-
печей) и ряд других ученых, работы которых были положены в основу
последующих теорий промышленных печей [1—3]. Большой вклад
в теорию и практику эксплуатации печей внесли также американ-
американские [4] и немецкие ученые [5].
Во всех указанных теориях выполняемые функции промышлен-
промышленных печей рассматриваются с позиций осуществления только тепло-
теплотехнических процессов в отрыве от технологических, а сами печи —
как тепловые устройства. В соответствии с этими теориями печи
классифицируются в основном по теплотехническим признакам.
Такая классификация не соответствует реальной сущности печей
и осуществляемых в них процессов, поэтому не позволяет упорядо-
ченно разделить их в логической последовательности и соподчи-
соподчинении на основе признаков содержания на классы, виды, типы и т. д.
В монографиях многих авторов [6—17] освещены и некоторые
вопросы осуществления конкретных технологических процессов
в печах применительно к определенным производствам и отраслям
промышленности.
В данной книге промышленные печи представлены автором как
термотехнологические процессоры, предназначенные для получения
целевых продуктов заданного количества и качества или обезвре-
обезвреживания отходов за счет теплового воздействия на исходные ма-
материалы.
Протекающие в печах термотехнологические, теплотехнические
и механические процессы с исходными материалами, полученными
продуктами, печной средой и футеровкой рассматриваются как на-
находящиеся во взаимодействии и взаимной связи, т. е. как единая
химико-термическая печная система «материал—среда—футеровка»
вне зависимости от их отраслевой и производственной принадлеж-
принадлежности.
На основе системной теории печей дается подробная их класси-
классификация, которая позволит кодировать, хранить и осуществлять
поиск необходимой информации о промышленных печах.

РАЗДЕЛ I
СИСТЕМНАЯ ТЕОРИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПЕЧЕЙ
Промышленные печи — это высокотемпературные термотехно-
термотехнологические процессоры (устройства) с рабочей камерой, огражден-
огражденной от окружающей атмосферы, предназначенные для получения це-
целевых продуктов за счет осуществления физического, химического
или коллоидного превращения исходных материалов при тепловом
воздействии.
В данной книге рассматриваются только промышленные печи.
Печи являются основными устройствами для экономически це-
целесообразного или экологически необходимого получения различ-
различных целевых продуктов (заданного количества, качества, химиче-
химического состава, физических и химических свойств) во многих отрас-
отраслях промышленной технологии. В связи с тем, что промышленная тех-
технология как совокупность приемов и способов получения и обра-
обработки или переработки сырья, материалов, полуфабрикатов либо
изделий в различных отраслях промышленности, строительстве
и т. д. — понятие широкое, из нее выделяется часть, где способом
получения целевых продуктов является только тепловое воздействие
(нагрев и охлаждение) на исходные материалы. Этой разновидности
промышленной технологии дается термин «термотехнология». Про-
Процессоры и протекающие в них технологические процессы называются
«термотехнологическими».
Главным отличительным признаком печей от других термотех-
термотехнологических устройств является обязательное наличие огражде-
ограждения рабочей камеры от окружающей среды. Используемые ниже
термины «исходные материалы» и «продукты» — обобщенные поня-
понятия, которые имеют следующий смысл: исходные материалы — это
химические вещества, вводимые в рабочую камеру печи в виде сырья,
шихты, реагентов, материалов, изделий, тесто-хлеба, отходов, за-
загрязняющих окружающую среду, и т. п.; целевые продукты — это
конкретные результаты целенаправленных превращений исходных
материалов, получаемые из печи в виде материалов, полуфабрика-
полуфабрикатов, промышленных, бытовых, хлебопекарных изделий и обезвре-
обезвреженных химических веществ, нейтральных к окружающей среде,
и т. п.
Современная функционирующая печь представляет собой син-
синхронно работающий печной комплекс, т. е. упорядоченную совокуп-
совокупность, состоящую из непосредственно печи, средств обеспечения
печного процесса, а также систем автоматизированного регулиро-
регулирования и управления печным процессом и средствами его обеспечения.
Предмет системной теории печей — это научные знания о зако-
закономерностях и механизме совместного протекания в реальных усло-
условиях взаимосвязанных и взаимозависимых термотехнологических,
теплотехнических и механических процессов между ^элементами
единой химико-термической печной системы «материал—среда—
5

футеровка» и внутри каждого из них, а также о способах создания
в этих элементах необходимых оптимальных и управляемых усло-
условий для получения целевого продукта.
Системная теория печей считает, что изучение кинетики физи-
физических, химических и коллоидных превращений исходных мате-
материалов и физической сущности изменения их энергетического со-
состояния при теплообмене на микроуровне является предметом спе-
специальных базовых научных дисциплин. Она рассматривает эти изме-
изменения с учетом сопутствующих процессов на макроуровне, обеспе-
обеспечивающем получение информации, необходимой для проведения
исследований, проектирования, конструирования и эксплуатации
печей, для создания в них необходимых и оптимальных условий
осуществления печных процессов и управления ими. Осуществление
термотехнологических процессов для получения заданных продук-
продуктов является целью, смыслом и назначением печей, а осуществление
теплотехнических и механических процессов и создание необходи-
необходимой печной среды в рабочей камере футеровки печи — это средства,
обеспечивающие возможность полного и успешного протекания тер-
термотехнологических процессов. Термотехнологические процессы
определяют необходимый профиль температур в печи, ее тепловую
мощность, место теплогенерации, вид, фазу, химический состав,
температуру, плотность печной среды, геометрию рабочей камеры,
вид материала, конструкцию футеровки и т. д.
Системная теория печей находится на стыке технологии, химии,
технической физики и физической химии; на их теоретических осно-
основах она базируется и имеет сугубо прикладной характер.
Предыдущие теории печей получали свои наименования в за-
зависимости от их теоретической основы (гидравлическая, энергети-
энергетическая, общая тепловая и комплексная). Рассматриваемую теорию
следует именовать системной потому, что в ее основу положена кон-
концепция: функционирующая печь представляет собой единую химико-
термическую печную систему «материал—среда—футеровка».
Цели системной теории печей следующие:
1) интенсификация работы печей при получении целевых про-
продуктов за счет реализации резервов, появляющихся при системном
рассмотрении протекания термотехнологических, теплотехнических
и механических процессов;
2) повышение качества получаемых целевых и побочных про-
продуктов;
3) повышение экологической и экономической эффективности
печных процессов;
4) повышение эффективности использования энергии при полу-
получении целевых продуктов;
5) разработка принципов создания печных комплексов для при-
природоохранных целей;
6) обеспечение надежности и долговечности работы печных ком-
комплексов;
7) совместное рассмотрение функционирования непосредственно
печи, средств обеспечения протекания печных процессов и систем
6

автоматизированного регулирования при осуществлении этих про-
процессов;
8) разработка научно-обоснованной классификации печей;
9) разработка научного метода познания существующей, созда-
создаваемой и возникающей действительности в функционирующих пе-
печах;
10) разработка способов создания оптимальных и регулируемых
условий в рабочей и топочной камерах печей, обеспечивающих осу-
осуществление термотехнологических, теплотехнических и механи-
механических процессов с получением качественных целевых продуктов и
максимального подавления нежелательных сопутствующих про-
процессов;
11) разработка методов исследования, проектирования и кон-
конструирования печей;
12) разработка практических рекомендаций по оптимальным ре-
режимам пуска, наладки и эксплуатации печей.
При изучении процессов, протекающих в рабочей камере печей,
используется системный метод научного познания, заключающийся
в рассмотрении функционирующих печей как искусственно созда-
создаваемых и управляемых систем, состоящих из трех элементов: исход-
исходных материалов и получаемых из них продуктов; печной среды;
футеровки рабочей камеры печи.
Сущностью системного метода научного познания печного про-
процесса является совместное рассмотрение всех элементов химико-
термической печной системы «материал—среда—футеровка» как
находящихся между собой в теснейших химических, термических
и механических взаимоотношениях и взаимодействиях.
Глава 1
ФУНКЦИОНИРУЮЩАЯ ПЕЧЬ
КАК ХИМИКО-ТЕРМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА
Научное познание всего многообразия взаимодействующих,
взаимосвязанных и взаимозависимых процессов и явлений с хими-
химическими веществами, протекающих в функционирующих печах
одновременно, последовательно или накладываясь один на другой,
возможно только при совместном рассмотрении их как единой це-
целостной печной системы. При системном методе принято целостность
взаимодействия внутри элементов и между ними считать базовым
понятием.
Печная система — это целостность множества взаимодействую-
взаимодействующих, взаимосвязанных и взаимозависимых элементов, которые изо-
изолированы от окружающей среды наружными поверхностями печи.
Функционирование печей должно изучаться синтетически,
внутренние взаимодействия между элементами печной системы при
этом не нарушаются и она изучается как единое целое. Однако
7

«... синтез возникает и становится возможным лишь после того,
как предмет изучения подвергся анализу, расчленению. Без этого
синтез был бы беспредметен, ибо не имелось бы в наличии тех эле-
элементов, которые подлежат соединению» [18, с. 36].
Эта концепция весьма важна, поскольку дальнейшее рассмотре-
рассмотрение печной системы основано на расчленении ее для анализа и по-
последующего синтеза как в объеме одного элемента, так и в объеме
всей системы.
Изучение функционирования каждого элемента печной системы
в отдельности позволяет вскрыть иерархию структуры и рассматри-
рассматривать систему на разных уровнях ее детализации. Одновременно,
имея количественную информацию о функциях и поведении печи,
ее можно рассматривать как подсистему химико-технологической
системы, в состав которой входит печной агрегат.
Таким образом, один из принципов системного изучения функ-
функционирующей печей — соединение анализа и синтеза составляю-
составляющих ее элементов и их взаимодействий. Без предварительного и пол-
полного аналитического изучения отдельно каждого элемента и про-
процесса невозможно получить подробную информацию, необходимую
для разработки печной системы и конструкции печи.
Наиболее сложным при разработке печной системы является
создание оптимального и совместного функционирования всех ее
элементов во взаимной связи при максимальном подавлении проте-
протекания нежелательных сопутствующих процессов.
Структура печной системы. Для изучения печной системы суще-
существенным является выявление ее структуры, заключающееся в опре-
определении составляющих ее элементов, их взаимного расположения
и видов взаимодействия, означающих практически расшифровку
механизма функционирования.
Сущность печного способа получения целевых продуктов осно-
основана на различных превращениях исходных материалов, которые
представляют собой определенные химические вещества. В про-
процессе превращения исходные материалы и полученные из них про-
продукты окружены печной средой, представляющей собой специально
создаваемые или полученные при осуществлении печного процесса
химические вещества (см. гл. 4). Исходные материалы, полученные
продукты и печная среда заключены в футеровку печи, которая
также представляет собой различные огнеупорные химические ве-
вещества или гарнисаж из исходных материалов либо целевых про-
продуктов (см. гл. 5).
Суммируя вышеизложенное, можно утверждать, что элементы
печной системы являются простыми или сложными химическими ве-
веществами, сгруппированными с учетом поставленной цели на
1) исходные материалы и полученные продукты, 2) печную среду,
3) футеровку рабочей камеры печи.
Элементы печной системы располагаются на двух иерархических
уровнях. Главным и определяющим элементом являются исходные
материалы, претерпевающие превращение их в целевые продукты,
а другие элементы (печная среда и футеровка) по своим функциям
8

и взаимосвязям являются определяемыми и обслуживающими функ-
функционирование главного элемента.
Целенаправленные превращения исходных материалов в целевые
продукты в печах имеют различную сущность, и поэтому их цели
также различны. Если целенаправленными процессами, осуществляе-
осуществляемыми в печах, являются физические превращения исходных мате-
материалов в целевые продукты, то химические взаимодействия между
исходными материалами должны быть исключены или минимальны,
так как они снижают выход целевых продуктов и увеличивают ко-
количество получаемых отходов. В химических целенаправленных
превращениях исходных материалов в целевые продукты степень
химического превращения их должна быть максимально возможной.
При осуществлении целенаправленного коллоидного превра-
превращения * исходных материалов в целевые продукты одновременно
или последовательно протекают также физические, химические,
микробиологические, биохимические процессы, которые являются
этапами одного общего термотехнологического процесса.
Назначение печной среды — создание в рабочей камере необхо-
необходимых и оптимальных физических и химических условий для осу-
осуществления термотехнологических, теплотехнических и механи-
механических процессов и защита исходных материалов и полученных це-
целевых продуктов от нежелательных химических процессов.
Назначение футеровки рабочей камеры печи — обеспечение воз-
возможности осуществления высокотемпературных и химически актив-
активных печных процессов и защита исходных материалов, полученных
продуктов и печной среды от химического и термического взаимодей-
взаимодействия со средой, окружающей печь. Основное требование к футе-
футеровке — обеспечение необходимого режима переработки исходных
материалов в целевые продукты при минимальном взаимодействии
с ними и печной средой.
Химические взаимодействия между элементами системы. Физи-
Физические, химические и коллоидные превращения исходных материалов
всегда осуществляются в определенной печной среде, которая во
многих случаях является энергетической базой термотехнологи-
термотехнологических процессов или защитной средой, поэтому она существенно
влияет на ход всех процессов в печи. Одновременно исходные ма-
материалы и получаемые продукты влияют на химический состав и
физические параметры печной среды. Таким образом, исходные ма-
материалы, получаемые из них продукты и печная среда находятся
между собой во взаимодействии, а следовательно, и взаимной за-
зависимости.
Исходные материалы, получаемые продукты и печная среда, на-
находясь в рабочей камере печи, влияют на стойкость футеровки.
В свою очередь футеровка влияет на ход термотехнологических
процессов, химический состав и свойства печной среды, что в ко-
конечном счете определяет качество получаемых продуктов. Вслед-
Вследствие этого исходные материалы, получаемые продукты, печная
Имеется в виду переход теста в мякиш в хлебопекарных печах.

среда и поверхность рабочей камеры футеровки также находятся
между собой во взаимодействии и взаимной зависимости.
В результате все указанные элементы печной системы как хи-
химические вещества имеют свой состав, физико-химические свойства,
фазовые состояния, температуру, давление, концентрацию, плот-
плотность и находятся в одном объеме, огражденном от влияния окру-
окружающей среды, в непосредственном контакте между собой, взаимо-
взаимодействии и взаимной зависимости, т. е. представляют собой внутри-
печную химическую систему «материал—среда—футеровка».
Обобщенное термохимическое уравнение печного процесса при
системном методе имеет следующий вид:
М + С + Ф = Я + О + С + Ф' + #Пр
гдеМ — исходные материалы; С, С — начальная и конечная печные среды; Ф, Ф' —
начальная и метаморфозная футеровки; П — полученные продукты; О — отходы
процесса; Япр — суммарная теплота печных процессов.
Термические взаимодействия между элементами системы. Исход-
Исходные материалы и полученные продукты, рабочая камера футеровки
печи и печная среда имеют свои температуры поверхности, а в целом
представляют собой внутрипечную термическую (теплообменную)
систему «материал—среда—футеровка». Все элементы термической
системы находятся между собой, в свою очередь, во взаимной связи
и взаимодействии, что создает теплообмен внутри каждого элемента
и, как следствие, приводит исходные материалы к различным целе-
целевым превращениям.
Уравнение суммарного теплообмена в печной системе в общем
виде:
где QB — теплота, воспринимаемая элементами системы; К — коэффициент тепло-
теплопередачи; Т° — температура элементов системы, отдающих теплоту; Т* — темпе-
температура элементов системы, воспринимающих теплоту; Fb — площадь поверхности
элементов системы, воспринимающих теплоту; т — время теплообмена.
В печной системе любой элемент может быть отдающим или вос-
воспринимающим теплоту. По приведенному уравнению можно для каж-
каждого конкретного случая получить истинную величину QB.
Все физические, химические и коллоидные превращения исход-
исходных материалов в целевые продукты в печах осуществляются только
при тепловом воздействии в определенной печной среде, в одной
рабочей футерованной камере и протекают одновременно, поэтому
химические и термические процессы также находятся во взаимной
связи, а функционирующая печь представляет собой единую хи-
химико-термическую печную систему «материал—среда—футеровка».
Механические взаимодействия между элементами. Элементы печ-
печной системы в функционирующих печах находятся в определенных
механических взаимоотношениях. Под термином «механические взаи-
взаимоотношения» понимаются специально создаваемые или возникаю-
возникающие при протекании термотехнологических и теплотехнических
процессовперемещения (движение) элементов печной системы в про-
10

странстве и во времени, а также возникающие при этом взаимодей-
взаимодействия между ними.
Характеристические свойства функционирования печной системы.
Каждая функционирующая печная система должна обладать сле-
следующими характеристическими свойствами: 1) способностью эле-
элементов системы взаимодействовать между собой; 2) управляемостью
системой ограниченными средствами управления; 3) надежностью
функционирования системы при определенных отказах в отдельных
элементах, выполнением заданных функций в течение определенного
времени; 4) устойчивостью при возмущающих воздействиях на систему.
Состояние печной системы. Печная система характеризуется
рядом присущих ей химических, физических, термодинамических
и других свойств. Совокупность этих свойств определяет состояние
печной системы в рассматриваемой точке и в заданное время.
Любая из величин, служащих для характеристики состояния печ-
печной системы, является параметром состояния (температура, давле-
давление, объем, плотность, внутренняя энергия, энтропия, концентра-
концентрация веществ и т. д.). Параметры элементов печной системы по своему
значению в теории и практике печей подразделяются на исходные,
процессные и управляющие. Процессные параметры системы яв-
являются необходимыми для протекания печных процессов, обеспе-
обеспечивающих получение целевых продуктов требуемого количества и
качества. Эти параметры создаются при регулируемом изменении
управляющих параметров, к которым относятся температура, дав-
давление, время и скорость движения.
Осуществлению каждого конкретного термотехнологического про-
процесса соответствует определенное состояние системы, учитывающее
все указанные параметры ее элементов.
Изменение одного параметра в любом элементе печной системы
ведет к изменению состояния части или всей системы, что может
создать условия прекращения термотехнологического или тепло-
теплотехнического процесса, снижения производительности, увеличения
выхода побочных продуктов и отходов, ухудшения качества и свой-
свойства целевых продуктов либо привести к разрушению футеровки
печи, но вместе с тем дает возможность изменять состояние одного
элемента, воздействуя этим на другой.
Печная система по характеру взаимоотношения с окружающей
средой является открытой, потому что происходит постоянный ввод
исходных материалов и энергии и вывод полученных продуктов и
энергии.
Характерная особенность стационарного состояния печной си-
системы непрерывного действия как открытой системы — постоян-
постоянство всех параметров элементов во времени для заданной точки в печ-
печной камере, обусловленное непрерывным вводом и выводом вещества
и энергии.
Состояние печной системы 5П. с в общем виде может быть опи-
описано следующей функциональной зависимостью:
с —f(M Гф'х Гск Гп^ ГА D t т k\
И

где Мэ — масса, форма и геометрические размеры элементов системы; С*' х — фи-
физические и химические свойства элементов системы; С£к — скорость превращения
элементов в системе; С"р — степень химического превращения элементов системы;
CJ—скорость движения элементов системы; D3 — давление элементов системы;
tQ — температура элементов системы; т — время с начала процесса; k — коорди-
координата рассматриваемой точки в системе.
Все величины, определяющие состояние системы, являются пе-
переменными и зависящими от физических и химических свойств эле-
элементов, их массы, формы, геометрических размеров, температуры,
времени и координат рассматриваемой точки в рабочей камере печи.
Однако для конкретного случая могут быть определены количествен-
количественные значения состояния системы и определены текущие и ожидае-
ожидаемые параметры процессов.
Таким образом, на основании рассмотренной концепции можно
утверждать, что функционирующая печь представляет собой слож-
сложный объект для изучения и познания существующей, создаваемой и
возникающей действительности в рабочей камере печи. Только со-
совокупное рассмотрение протекания в печах химических, терми-
термических и механических процессов между элементами пе,чной среды
и внутри каждого из них раскрывает сущность превращений исход-
исходных материалов в целевые продукты, а знание закономерностей сов-
совместного протекания этих процессов позволяет создавать оптималь-
оптимальные условия для их осуществления и управления ими.
Исследование, проектирование, конструирование и эксплуата-
эксплуатацию печей необходимо всегда осуществлять в рамках системного
подхода, рассматривая все элементы печной системы как единое целое.
Системный метод рассмотрения протекающих в печи процессов
позволяет: 1) точнее предопределять процессы и явления, которые
будут протекать, полнее раскрывать их сущность и глубже обоб-
обобщать научные знания; 2) управлять ходом протекания печных про-
процессов, а также оперативно влиять на количество и качество полу-
получаемых продуктов; 3) полностью автоматизировать работу печных
комплексов; 4) создать научную классификацию печей.
На основании всего вышеизложенного можно утверждать, что
печи должны создаваться и эксплуатироваться только на базе си-
системной теории, рассматривающей всю совокупность процессов и
явлений, протекающих в них, во взаимной связи и зависимости.
Глава 2
КЛАССИФИКАЦИЯ ПЕЧЕЙ
Классификация печей — это упорядоченное разделение их в ло-
логической последовательности и соподчинении на основе признаков
содержания на классы, виды, типы и фиксирование закономерных
связей между ними с целью определения точного места в класси-
классификационной системе, которое указывает на их свойства. Она слу-
служит средством кодирования, хранения и поиска информации, со-
12

держащейся в ней, дает возможность распространения обобщен-
обобщенного опыта, полученного теорией и промышленной практикой
эксплуатации печей, в виде готовых блоков, комплексных типовых
решений и-рекомендаций для разработки оптимальных конструк-
конструкций печей и условий осуществления в них термотехнологических,
теплотехнических и механических процессов.
Классификация печей теснейшим образом связана с пониманием
сущности научного познания, его предмета и метода, его источни-
источников, движущих сил и конечных целей применения его результатов;
она является важной и неотъемлемой частью системной теории
печей.
Научным обоснованием разработанной классификации печей
является системная теория печей, которая рассматривает функцио-
функционирующую печь как единую химико-термическую печную систему
«материал—среда—футеровка».
Главными и естественными по степени существенности основа-
основаниями для классификации печей в логической последовательности
являются следующие признаки: термотехнологические, теплотех-
теплотехнические, механические, состояние и свойства печной среды, конст-
конструктивные.
I. По термотехнологическому признаку печи подразделяются
следующим образом.
1. По сущности превращения исходных материалов в целевые
продукты:
1) печи физические, в которых получение целевого продукта
основано на целенаправленных физических превращениях исход-
исходных материалов без химического взаимодействия между ними;
2) печи химические, в которых получение целевого продукта
основано на целенаправленных химических взаимодействиях между
исходными материалами;
3) печи пекарные, в которых получение целевого продукта осно-
основано на целенаправленных коллоидных превращениях исходных
материалов.
Каждый класс печей подразделяется далее по видам термо-
термотехнологических процессов, осуществляемых в них, следующим
образом:
— печи физические — нагрев исходных материалов для измене-
изменения кристаллической структуры (отпуск, отжиг, нормализация),
последующей термообработки (закалка, отпуск, нормализация) и
обработки давлением (ковка, штамповка, волочение), изменения
фазового состояния (расплавление, испарение, конденсация), тер-
термического рафинирования металлов, получения монокристаллов, тер-
термического обезвоживания отходов и т. д.
— печи химические — обжиг, сжигание, термохимическое ра-
рафинирование металлов, плавка, термосинтез, коксование, пиролиз,
термическое разложение, полимеризация, отжиг на ковкий чугун,
термохимическое обезвреживание отходов и т. д.
— печи пекарные — выпечка хлеба, хлебобулочных и конди-
кондитерских изделий.
13

2. По характеру течения термотехнологического процесса во
времени: печи с периодическим и с непрерывными термотехнологи-
термотехнологическими процессами.
II. По теплотехническому признаку печи подразделяются сле-
следующим образом.
1. По источнику теплогенерации: экзотермические, электро-
электротермические, гелиотермические, термоядерные (в будущем) и сме-
смешанные.
Печи с экзотермической теплогенерацией (печи пламенные) под-
подразделяются по виду источника теплоты экзотермических реакций:
исходных материалов, вводимого топлива и смешанные. В свою
очередь печи, в которых источником теплоты является вводимое топ-
топливо, подразделяются по виду сжигаемого топлива: газового, жид-
жидкого и твердого.
Печи с электротермическим источником теплогенерации (печи
электрические) подразделяются по способу превращения электри-
электрической энергии в тепловую —.сопротивления, дуговые, дуговые печи
сопротивления, электроннолучевые и индукционные.
Печи с гелиотермическим способом теплогенерации (печи сол-
солнечные) по способу получения теплоты являются оптическими.
2. По месту теплогенерации: печи с теплогенерацией в рабочей
камере или вне ее.
3. По виду теплообмена: конвективные, радиационные, кондук-
тивные (теплопроводностью) и смешанные.
4. По кратности использования газового теплоносителя в рабо-
рабочей камере: проходные (однократные) и рециркуляционные (много-
(многократные).
5. По использованию теплоты отходящих газов: печи со встроен-
встроенными рекуператорами или без них.
III. По механическому признаку печи подразделяются следую-
следующим образом.
1. По способу транспортирования исходных материалов и полу-
полученных продуктов: конвейерные, роликовые, рольганговые, ваго-
вагонеточные, с вращающимися, шагающими, выкатными подинами
и т. д.
2. По характеру движения газовых потоков в рабочих камерах:
печи с прямолинейными или криволинейными (круговые, циклон-
циклонные рециркуляционные, с кипящим слоем и т. д.) потоками.
3. По отношению направления движения исходных материалов
и полученных продуктов к печной среде: печи прямоточные, противо-
точные и перекрестные.
IV. По состоянию и свойствам печной среды печи подразделяются
следующим образом.
1. По фазовому состоянию: печи с газовой, жидкой, твердой и
смешанной печной средой.
2. По химическому составу: печи контролируемого и неконтро-
неконтролируемого химического состава.
3. По давлению в печи: вакуумные или работающие под давле-
давлением.
14

V. По конструктивным признакам печи подразделяются на сле-
следующие типы: шахтные, туннельные, кольцевые, ретортные, муфель-
муфельные, тигельные, горшковые, ванные, трубчатые, полочные, камер-
камерные, жаровые, канальные, с вращающимся барабаном, со взвешен-
взвешенными частицами, с кипящим слоем, колпачковые, ямные, методи-
методические, секционные, с вращающимся, пульсирующим и шагаю-
шагающим подом, конвейерные, рольганговые, роликовые, обжиговые
и агломерационные машины и т. д.
Глава 3
ПЕЧНЫЕ ПРОЦЕССЫ
В печах при получении целевых продуктов из заданных исход-
исходных материалов осуществляются процессы следующих видов: фи-
физические, химические, биохимические, микробиологические, коллоид-
коллоидные, массообменные, энергетические (теплообменные, теплогене-
рационные), гидромеханические, механические и т. д. Эти процессы
протекают в рабочей камере печей параллельно, последовательно
или накладываясь один на другой и имеют различные количествен-
количественные и качественные характеристики в зависимости от координат рас-
рассматриваемой точки в рабочей камере печи, а также от времени
с начала процесса.
Совокупность всех видов процессов, протекающих в рабочей ка-
камере печей и приводящих исходные материалы, печную среду и фу-
футеровку к закономерным изменениям и к возникновению в них но-
новых свойств, называется печными процессами. По значимости печ-
печные процессы подразделяются на основные и сопутствующие.
Основные печные процессы — это те, которые протекают между
элементами печной системы и внутри каждого из них и предназна-
предназначены для получения целевого продукта. К ним относятся только те
процессы, из перечисленных выше, которые осуществляются целе-
целенаправленно. В зависимости от выполняемых функций основные
печные процессы можно объединить в три группы: термотехнологи-
термотехнологические, теплотехнические и механические.
К сопутствующим печным процессам относятся некоторые виды
физических, химических, хеплообменных и механических процес-
процессов внутри элементов печной системы и между ними. Эти процессы
сопровождают осуществление основных печных процессов, являясь
нецеленаправленными, а вынужденными и неизбежными, в боль-
большинстве случаев нежелательными. К ним относятся расширение и
расплавление футеровки, аккумуляция ею теплоты, тепловые по-
потери с отходящими продуктами и печной средой, химические взаимо-
взаимодействия между исходными материалами, печной средой и футеров-
футеровкой и т. д. Подавление или сведение до минимума сопутствующих
печных процессов — одна из основных задач при разработке печ-
печных систем и печных комплексов.
15

Термотехнологические процессы
Осуществление термотехнологических процессов в рабочих ка-
камерах печей является печным способом получения целевых продук-
продуктов за счет превращения исходных материалов при тепловом воз-
воздействии на них. К ним относятся следующие виды целенаправлен-
целенаправленных процессов: физические, химические, биохимические, микро-
микробиологические, коллоидные и массообменные.
Эти процессы по сущности целенаправленных превращений
исходных материалов в продукты можно объединить в следующие
три подгруппы: физические, химические и коллоидные.
Физические термотехнологические процессы
Проведение целенаправленных физических превращений исход-
исходных материалов в печах является способом получения целевых
продуктов с заданным химическим составом и физико-химическими
свойствами за счет теплового воздействия без химического взаимо-
взаимодействия. Этот вид термотехнологических процессов предусматривает
только осуществление физических процессов и превращений исход-
исходных материалов и полученных продуктов (тепловая активация, тер-
термообработка, плавление, испарение, конденсация, рафинирование
металлов, выращивание кристаллов и др.)-
Различают следующие виды теплового воздействия на исходные
материалы и полученные продукты.
1. Нагрев исходных материалов ниже температуры плавления
и выдержка при заданной температуре, далее — выдача готового про-
продукта из печи или охлаждение вместе с ней с заданной или макси-
максимально возможной скоростью.
2. Нагрев исходных материалов до температуры их плавления
и выдержка при этой температуре до завершения процесса плавле-
плавления, далее — выдача плава из печи или охлаждение в ней с задан-
заданной скоростью.
3. Нагрев исходных материалов до температуры испарения и
выдержка при этой температуре до завершения процесса испарения,
далее — охлаждение (конденсация) в печи или вне ее с максимально
возможной скоростью.
Целевые продукты, получаемые в результате физического термо-
термотехнологического процесса в печах, по назначению подразделяются
на два вида: 1) сырье для последующего производства или конеч-
конечный продукт промышленного и бытового назначения; 2) обезвожен-
обезвоженные промышленные и бытовые отходы, которые подлежат захороне-
захоронению. Если обезвоженные промышленные отходы могут быть исполь-
использованы далее как сырье или являются конечными полезными продук-
продуктами, то эти процессы необходимо рассматривать как в п. 1.
Скорость физического термомеханического процесса. Существен-
Существенным фактором, определяющим производительность печей, в кото-
которых осуществляются физические термотехнологические процессы,
является скорость, с которой проводятся физические превращения
исходных материалов в целевые продукты.
16

Время завершения физического термотехнологического процесса
является суммарной величиной длительностей всех последователь-
последовательных процессов. К ним относятся подготовительный нагрев, физи-
физические превращения и окончательное охлаждение полученных про-
продуктов.
Скорость целенаправленных физических процессов существенно
зависит от химического состава и физических свойств исходных ма-
материалов и полученных продуктов, их массы, размеров и формы,
температурного режима осуществления процесса и т. д.
Виды физических термотехнологических процессов. Тепло-
Тепловая активация металлов и сплавов в печах
достигается повышением их температуры в результате нагрева,
который осуществляется с целью: 1) тепловой подготовки металлов
и сплавов перед пластической деформацией (ковка, штамповка,
прокат, волочение) повышением подвижности дислокации; 2) тепло-
тепловой подготовки материалов перед последующей внепечной терми-
термической обработкой, т. е. охлаждением в различных средах с опреде-
определенной скоростью для изменения кристаллической структуры в за-
заданном направлении (рекристаллизация, закалка, отпуск и т. д.).
Температура нагрева исходных материалов в печах для тепловой
активации охватывает широкий диапазон значений, что связано
с химическим составом нагреваемого материала и назначением про-
процесса нагрева и последующих операций.
Термическая обработка исходных материалов в пе-
печах является способом изменения их структуры и свойств в заданном
направлении путем теплового воздействия (нагревания и охлажде-
охлаждения) непосредственно в печи с заданным режимом изменения темпе-
температур во времени и по объему.
Вызывая разнообразные по природе структурные изменения,
термическая обработка позволяет управлять кристаллической струк-
структурой металлов и сплавов и получать изделия с требуемым комплек-
комплексом механических, физических и химических свойств.
В печах осуществляются следующие виды термической обработки:
нормализация, отпуск, направленная кристаллизация и т. д.
Плавление — переход исходных материалов из кристалли-
кристаллического (твердого) состояния в жидкое при нагревании их до опреде-
определенной температуры для чистых веществ и в интервале температур
для сплавов и твердых растворов.
Плавление исходных материалов в печах осуществляется: 1) для
получения расплавов с целью последующего (внепечного) прида-
придания им заданных форм; б) получения сплавов и твердых растворов
заданного химического состава и физических свойств; в) терми-
термического ликвационного рафинирования расплавленных металлов за
счет выделения примесей вследствие уменьшения их растворимости
в сплаве при понижении температуры и выплавления примесей из
кристаллов сплава при нагревании; г) направленной кристаллиза-
кристаллизации и зонной плавки для выращивания монокристаллов и глу-
глубокой очистки металлов, идущих на производство прецизионных
сплавов.
17

Испарение — переход исходных материалов из жидкого
агрегатного состояния в газообразное (пар). В печах испарение
происходит при определенной постоянной температуре, если исклю-
исключено заполнение объема насыщенным паром. Давление насыщенного
пара зависит только от температуры и повышается с ее возрастанием.
Испарение компонентов исходных материалов в печах осуще-
осуществляется для селективного разделения расплавов.
Термическое обезвоживание жидких отходов,
осуществляемое в печах, является эффективным способом сниже-
снижения загрязнения окружающей среды. Сущность термического обез-
обезвоживания жидких отходов заключается в получении твердого (су-
(сухого) остатка в виде порошка или гранул. Полученный из печи твер-
твердый остаток подлежит далее реализации как товарный продукт
или захоронению. Паровая (газовая) фаза выводится для последую-
последующей переработки, если это необходимо по технологическому регла-
регламенту, или для обезвоживания. Температура термического обезво-
обезвоживания жидких отходов не превышает 500 °С.
Химические термотехнологические процессы
Осуществление химических термотехнологических процессов
в печах является способом получения целевых продуктов из задан-
заданных исходных материалов путем перераспределения или перегруп-
перегруппировки атомов с образованием новых молекул. Критерием осу-
осуществимости химических превращений заданных исходных мате-
материалов в целевые продукты в печах является способность этих ма-
материалов к химическим взаимодействиям при тепловом воздействии.
Химические реакции, протекающие в рабочей камере печи,
можно разделить на простые и сложные. Сложные реакции разде-
разделяются на последовательные, параллельные, смешанные (когда одна
реакция является параллельной по отношению к какому-либо ком-
компоненту реакции и последовательной по отношению к другим ком-
компонентам реакции), сопряженные (когда одна из реакций происхо-
происходит лишь совместно с другой) и, наконец, обратимые (протекающие
одновременно в противоположных направлениях).
В химических печах осуществляются следующие типы хими-
химических реакций: термическое разложение, соединение, обменные,
окислительно-восстановительные реакции.
При переработке исходных материалов в печах можно выделить
три этапа — подготовительный, основной и завершающий.
На подготовительном этапе осуществляются физические превра-
превращения в исходных материалах, которые доводят эти материалы до
состояния полной готовности к химическим превращениям. На основ-
основном этапе протекают химические превращения исходных материалов
в продукты. На завершающем этапе осуществляются физические
превращения с полученными продуктами, которые доводятся до
состояния, обеспечивающего их выгрузку из печи. Этот этап может
отсутствовать, если по условиям проведения последующего техно-
16

логического процесса полученный продукт выгружается сразу по
завершении основного этапа.
Продолжительность этих этапов составляет часть от общей дли-
длительности цикла работы печей периодического действия или пол-
полное время для непрерывных процессов, осуществляемых в печах
непрерывного действия.
В рабочей камере печи получают целевые и побочные продукты.
Целевые продукты подразделяются по назначению на 1) сырье для
последующего производства и конечный продукт промышленного
или бытового назначения; 2) обезвреженные промышленные и быто-
бытовые отходы, которые нейтральны к окружающей среде и могут
храниться на открытом воздухе или подлежат захоронению. Побоч-
Побочные продукты также могут быть продуктами, используемыми в на-
народном хозяйстве, или же отходами производства. Эти отходы мо-
могут быть нейтральными к окружающей среде или вредными и за-
загрязняющими ее. Побочные продукты могут образоваться как при
основной реакции (наряду с основным целевым продуктом), так и
вследствие побочных реакций между основными исходными ве-
веществами, основными веществами и примесями.
Задачей разработчиков печной системы является максимальное
подавление выхода отходов или поиск путей их использования.
Показателем, характеризующим эффективность работы печей,
является производительность — количество полученного целевого
продукта в единицу времени. Производительность измеряется в ки-
килограммах (тоннах) или в кубических -метрах в час или в сутки.
Максимально возможная производительность называется мощ-
мощностью.
Для сравнения работы печей различных конструктивных типов
или размеров с одинаковыми химическими термотехнологическими
процессами используется понятие интенсивности. Интенсивность —
это производительность, отнесенная к какой-либо величине, харак-
характеризующей размеры печи (например, к единице объема рабочей
камеры).
Полнота протекания химического термотехнологического про-
процесса характеризуется степенью превращения заданных исходных
материалов в целевые продукты. Степень превращения — это отно-
отношение количества реагента, вступившего в реакцию, к его исходному
количеству. Для простой необратимой реакции типа А -> R степень
превращения может быть выражена следующим уравнением:
NAo-NA
где хд — степень превращения реагента A; Naq, ^a — количество исходного
реагента А в начале и конце процесса, соответственно.
Селективностью называется отношение количества целевого про-
продукта к общему количеству продуктов. Она характеризует процессы,
в которых протекают сложные параллельные и последовательные
реакции с получением нескольких продуктов.
19

Например, если в процессе целевым является продукт R, то се-
селективность по R будет выражаться уравнением
NR
где Nr — количество продукта R; £ Ni — общее количество продуктов и отходов.
Закономерности химических термотехнологических процессов.
Закономерности протекания химических реакций подробно изло-
изложены в монографиях по физической химии и кинетике; ниже рас-
рассматриваются только некоторые из этих закономерностей примени-
применительно к реальным печным процессам.
Факторы, влияющие на состояние равно-
равновесия в печной системе. Равновесие — это динами-
динамический, но установившийся процесс с постоянным взаимопревраще-
взаимопревращением молекул реагентов и продуктов реакции. С позиции кинетики
система находится в равновесии, если скорости прямых и обратных
реакций попарно равны.
В соответствии с принципом Ле-Шателье, если на систему, на-
находящуюся в равновесии, воздействовать извне путем изменения ка-
какого-либо условия, определяющего положение равновесия, то в этой
системе усилится такой процесс, течение которого ослабляет влия-
влияние произведенного воздействия.
Основными параметрами, влияющими на равновесие химических
реакций, являются температура, давление и концентрация реаги-
реагирующих веществ. Эти параметры используются на практике для
сдвига равновесия в желаемую сторону, т. е. для регулирования
равновесной степени превращения.
При повышении температуры равновесие смещается в сторону
получения:
1) целевых продуктов (->) для реакций А ^ R—Q;
2) исходных реагентов («-) для реакций A=^R+Q;
При повышении давления равновесие смещается в сторону полу-
получения:
1) целевых продуктов (->) при изменении числа молей AN <0
(при уменьшении V — объема реагентов);
2) исходных продуктов (<-) при AN > 0 (при увеличении V)\
3) не изменяется (+*) при AN = 0 (при V = const).
При повышении концентрации одного из исходных реагентов
равновесная степень превращения его уменьшается, т. е. равновесие
смещается в сторону образования целевых продуктов (->).
Тепловой эффект химического термотех-
термотехнологического процесса. Все химические термотех-
термотехнологические процессы сопровождаются потреблением или выде-
выделением теплоты. Скорость многих реакций зависит от условий теп-
теплопередачи, при которых они проводятся.
Тепловым эффектом химической реакции (Q) называется коли-
количество теплоты, которое выделяется или поглощается при ее про-
протекании. Тепловой эффект эндотермической реакции, т. е. реакции,
протекающей с поглощением теплоты будет положительным, а тепло-
20

вой эффект экзотермической реакции, т. е. реакции, протекающей
с выделением теплоты, — отрицательным.
Теплота изохорного и изобарного процессов не зависит от пути
процесса, а зависит только от начального и конечного состояния
системы.
Если теплоемкость продуктов реакции исходных веществ во
время процесса не изменяется, то тепловой эффект не зависит от
температуры.
Определение количества теплоты, выделяемой или поглощаемой
при химических реакциях, является важным вопросом при составле-
составлении теплового баланса процесса.
Термодинамическое изучение реакций, протекающих, например,
в каолинах в производстве фарфора, показало наличие при нагреве
до 1000 °С двух тепловых эффектов: при 550—800 °С — эндотерми-
эндотермического и при 980 °С — экзотермического, что важно знать для
правильного расположения теплогенераторов и теплоотводящих
устройств в печи.
Скорость химических термотехнологи-
термотехнологических процессов является важнейшей количественной
характеристикой функционирования печной системы, выбранного
типа печи и ее конструктивного совершенства, подготовленности
исходных материалов к химическим взаимодействиям, оптималь-
оптимальности тепловых, температурных и гидродинамических режимов,
состава печных сред, подавления сопутствующих процессов и т. д.
При принятии ряда допущений, дополнительных краевых условий
и т. д. представляется возможной оценка приближенной скорости
осуществления процесса, на основании которой прогнозируется
работа опытной печи с последующим уточнением скорости по экспе-
экспериментальным данным.
Скорость химической реакции в печах определяется количеством
полученного целевого продукта или количеством прореагировав-
прореагировавших исходных материалов в единицу времени в единице объема ра-
рабочей камеры печи; например, скорость реакции А -> R выражается
уравнениями:
= 1 dNA л 1 dNR
ГА ~ VK dx ' Tr ~ VK dx
где rA, rR — скорости реакции по отношению к исходному реагенту А и по отно-
отношению к целевому продукту R; VK — объем рабочей камеры печи; т — время;
Na, Ад — количества исходного реагента А и целевого продукта R.
Химические превращения исходных материалов осуществляются
только после проведения предварительных физических процессов,
к которым относятся: теплопередача, фазовые переходы (плавление,
испарение, возгонка), нагрев футеровки, образование механических
смесей и др. Для периодических термотехнологических процессов
дополнительно вводится еще допустимая скорость повышения тем-
температуры футеровки без разрушения. Поэтому скорость химических
термотехнологических процессов гх. т. п является функцией ско-
21

ростей физических и химических процессов и в общем виде может
быть выражена уравнением
где Гфх, Гф2, •••, г$п — скорости физических процессов; гх1, гх2, ..., гХп— ско"
рости химических процессов,
Скорость химической реакции служит важнейшей количественной
характеристикой химического взаимодействия, определяющей интен-
интенсивность работы печи.
Установив факторы, от которых зависят эти скорости, можно
найти способы ускорения протекания целевых реакций.
Скорость химической реакции существенно меняется с измене-
изменением температуры. С повышением температуры скорость растет и
лишь у некоторых многостадийных реакций уменьшается. Темпера-
Температурная зависимость скорости реакции учитывается в основном кон-
константой скорости реакции. Зависимость константы скорости реак-
реакции от температуры определяется уравнением Аррэниуса.
Так как ни одна реакция не может осуществляться без контакта
реагентов, в большинстве случаев скорость химических процессов
зависит от скоростей массопереноса, обеспечивающих взаимные кон-
контакты реагирующих веществ и отвод продуктов реакции из зоны кон-
контакта.
Движение твердых, жидких и газообразных материалов в термо-
термотехнологических процессах сульфатсоляных, глетных, вращаю-
вращающихся, руднотермических, шахтных, ретортных и других типах пе-
печей имеет самое существенное влияние на скорость и полноту проте-
протекания процесса переработки, так как от движения материалов за-
зависит величина активной реакционной поверхности, скорость уда-
удаления продуктов реакции, теплообмен, унос пыли и т. п.
Движение исходных материалов и полученных продуктов в пе-
печах осуществляется следующим образом: в вагонах, поддонах (тун-
(туннельные печи); на решетках Леполя в обжиговых машинах; в спека-
тельных тележках с днищем из колосниковых решеток; на подинах
шагающих, выкатных, карусельных (в термических печах); пересы-
пересыпанием (печи с вращающимся барабаном); псевдоожижением слоя
сыпучего материала (печи КС); вихревыми потоками; перегребанием
мешалками (печи сульфатсоляные, глетные);-шуровкой; по направ-
направляющим (печи методические) и т. п. В печах камерных с прерывным
характером течения процесса при неподвижной садке исходных ма-
материалов организовано движение печной среды.
В печах с вращающимся барабаном, шахтных и ретортных печах
движение твердых мелкокусковых материалов в слое в результате
перегребания или пересыпания является очень важным процессом
и для теплопередачи. В доменном процессе производительность пе-
печей в решающей степени зависит от скорости восстановления окси-
оксидов железа газами. В определенных условиях скорость самой хи-
химической реакции между оксидами железа и восстанавливающим га-
газом достаточно велика и, во всяком случае, больше скорости, с ко-
которой газ проникает через толщу кусков руды и зону реакции. В та-
22

ких условиях, особенно при восстановлении плотных руд, скорость
процесса в целом определяется скоростью движения газов по узким
каналам и трещинам в кусках руды.
Скорость протекания всех химических реакций зависит также от
величины поверхности раздела (площади контакта) между реаги-
реагирующими веществами.
Химический и гранулометрический состав материалов, посту-
поступающих на переработку в печи, влияет на скорость и полноту про-
проведения процесса. Рассмотрим, например, реакцию разложения
СаСО3, протекающую при обжиге известняка. Эта реакция сопро-
сопровождается поглощением теплоты и поэтому невозможна без ее под-
подвода. Так как в результате реакции на поверхности кусков извест-
известняка образуется пористая корка СаО, плохо проводящая теплоту,
то время, необходимое для обжига, определяется скоростью переноса
теплоты через эту корку к неразложившейся сердцевине. В этих
условиях скорость обжига увеличивается при уменьшении кусков
известняка.
По фазовому признаку химические процессы, проводимые в пе-
печах, подразделяют на гомогенные и гетерогенные.
Гомогенные процессы основаны на реакциях между реагентами,
находящимися в одной фазе, и не имеют поверхности раздела от-
отдельных частиц системы друг от друга. В промышленных печах го-
гомогенные процессы осуществляются в основном в газовой фазе.
К ним относятся окислительные экзотермические реакции горения
различных газов, протекающие в пламенах (например, окисление
метана, сероводорода, оксида углерода, водорода, синтез хлористого
водорода и т. д.). Условно к гомогенным процессам можно отнести
окисление паров серы, фосфора, жидких топлив, потому что непо-
непосредственно химическая реакция протекает между, паровой фазой
окисляемого реагента и газовой средой окислителя, которые сов-
совместно образуют горючую газовую фазу. На эти реакции могут
быть распространены закономерности гомогенных процессов.
Первое условие протекания гомогенной реакции — обеспечение
контакта между реагирующими молекулами. Для этого необходимо
смешение реагирующих веществ. Вторым условием осуществления
реакции в гомогенной среде является наличие необходимой энергии
взаимодействующих молекул.
Гетерогенные процессы основаны на реакциях между реагентами,
находящимися в разных фазах, и протекают на поверхности их
контакта.
Гетерогенный процесс представляет собой совокупность взаимо-
взаимосвязанных физических и химических превращений, которые необ-
необходимо рассматривать совместно. Они могут протекать параллельно,
последовательно или накладываясь одно на другое.
В системе из одного компонента гетерогенные процессы сводятся
к переходу его из одной фазы в другую без изменения химического
состава фаз (плавление, испарение, возгонка).
Реагенты химических реакций, протекающих в печах, могут
находиться в различных фазах, например: твердая—твердая; твер-
23

дая—жидкая; жидкая — газовая; газовая —жидкая — твердая
и т. д.
Большинство химико-технологических процессов, протекаю-
протекающих в печах, являются гетерогенными.
Протекание всех гетерогенных процессов состоит, как минимум,
из трех стадий: доставка реагирующих веществ к границе между
фазами (в реакционную зону), собственно химические реакции и
отвод продуктов реакции из реакционной зоны. Каждая из этих
стадий может быть лимитирующей, т. е. иметь самую малую ско-
скорость и оказывать наибольшее сопротивление процессу.
Доставка вещества к границе между фазами может осуще-
осуществляться за счет конвекции или диффузии. Конвекцией называется
перемещение среды в целом (она может быть ламинарной и турбу-
турбулентной), а диффузией — перемещение молекул вещества в непод-
неподвижной среде под влиянием градиента концентрации.
Виды химических термотехнологических процессов. Обжиг —
термотехнологический процесс, осуществляемый для направленного
изменения физических свойств и химического состава исходных ма:
териалов тепловым воздействием на них. Температурный режим
обжига зависит от природы исходного материала, целей обжига и
состоит из нагрева до определенной температуры, выдержки при
ней и охлаждения с заданной скоростью.
Обжиг применяется: 1) для термической подготовки руд и кон-
концентратов к последующему переделу (обогащение, окускование,
дистилляция, плавка и т. д.); 2) для получения конечных химических
продуктов и изделий (ртуть, сурьма, портландцемент, известь, ке-
керамические материалы и изделия, эмали и краски на посуде
и т. д.).
При обжиге твердых материалов могут протекать процессы ди-
дистилляции, пиролиза, диссоциации, синтеза новых соединений из
исходных, спекания, кальцинации в сочетании с различными хи-
химическими реакциями.
По физическому состоянию обожженного продукта различают
процессы обжига с получением порошка и обжига со спеканием.
По химизму протекающих процессов выделяют следующие разно-
разновидности обжига: 1) окислительный обжиг — применяется для пе-
перевода сульфидов металлов в оксидную форму, иногда с получением
окускованного материала (производство меди, цинка, никеля,
свинца, сурьмы и т. д.); 2) сульфатирующий обжиг — применяется
для окисления сульфидов, содержащихся в руде, до сульфатов
(производство цинка и т. д.); 3) окислительно-восстановительный
обжиг — отличается от окислительного введением в шихту неко-
некоторого количества угля, что приводит к образованию низших окси-
оксидов и облегчает выделение в газообразном состоянии ценных состав-
составляющих, а также примесей, высшие оксиды которых слабо летучи;
4) восстановительный обжиг — применяется для получения ме-
металлов или низших оксидов из высших, например для получения
оксида марганца из концентрата диоксида марганца; 5) восстанови-
восстановительный магнетизирующий обжиг — применяется для перевода
24

слабо магнитной железной руды в сильно магнитную; 6) декарбо-
низационный обжиг — применяется для удаления карбонатов каль-
кальция, магния, бария; 7) кальцинирующий обжиг — применяется для
удаления конституционной влаги и диоксида углерода в результате
диссоциации (производство соды, извести); 8) хлорирующий обжиг —
применяется для перевода ценных компонентов руды в легко раство-
растворимые или легко летучие хлориды (производство титана, циркония
и др.)*> 9) дистилляционный обжиг — применяется для отгонки из
руды (или концентратов) ее ценных составляющих в виде парооб-
парообразных продуктов, затем конденсируемых; 10) обжиг для улучше-
улучшения физико-химических и механических свойств вещества — при-
применяется в производстве электродов руднотермических печей;
11) обжиг для перестройки кристаллической структуры вещества —
применяется для обжига шихты в производстве ультрамарина;
12) обжиг для получения минеральных вяжущих веществ (портланд-
(портландцемента, высокообжигового гипса, каустического магнезита, каусти-
каустического доломита и др.); 13) обжиг глинистого, зольного и другого
минерального сырья для получения искусственных пористых за-
заполнителей (керамзита, вспученного перлита, аглоперита и др.);
14) обжиг, совмещенный со спеканием руды или концентрата с актив-
активными добавками (сода, мел и др.) или компонентами шихты (обжиг
с окускованием для облегчения последующей переработки).
Обжиг серного колчедана. Серный колчедан — минерал, составной частью G0—
90%) которого является FeS2 E3,3% серы и 46,7% железа). В промышленных печах
обжигается флотационный колчедан, имеющий следующий химический состав (в %):
сера — 40—45; железо — 35—39; цинк — 0,5—0,6; медь — 0,3—0,5; свинец —
0,01—0,2; мышьяк — 0,07—0,09; кремнезем — 14—18; вода — 4—6; кроме того
содержится кобальт, селен, теллур, серебро, кадмий, золото.
Реакция горения серного колчедана примерно до 300 °С протекает по урав-
уравнению
FeS2 + ЗО2 = FeSO4 + SO2
При более высоких температурах окисление пирита идет с воспламенением и
преимущественно с образованием оксидов железа. В этом случае первой фазой горе-
горения пирита является его термическая диссоциация с образованием сульфида железа
и парообразной серы
FeS2—*FeS+ S
Заметное выделение серы начинается при температуре около 500 °С и быстро
возрастает с повышением температуры в соответствии с парциальным давлением
серы над FeS2, достигающем при 680—690 °С атмосферного давления [19].
Окислительный обжиг серного колчедана, являясь сложным гетерогенным про-
процессом, состоит из ряда последовательно совершающихся реакций и кристалло-
химических превращений.
В промышленных химических печах сжигание колчедана с целью повышения
интенсивности обжига проводят при температуре выше 600 °С, в связи с чем меха-
механизм этого процесса можно представить следующими суммарными уравне-
уравнениями:
4FeS2 + 11Оя = 2Fe2O3 + 8SO2
3FeS2 + 8О2 = Fe3O4 + 6SO2
Медленное окисление пирита с выделением сернистого газа наблюдается уже
при 170—260°С. Воспламенение колчедана, т.е. интенсивное самопроизвольное
распространение процесса горения по всей массе материала, начинается при темпе-
температуре около 400 °С.
25

При сжигании в Ёоздухе 45%-го колчедана с получением теоретической кон-
концентрации сернистого ангидрида (а = 1) температура в зоне горения колчедана мо-
может достигать 1570 °С.
Практически температура обжига колчедана устанавливается равной 750—
800 °С из следующих соображений: выше нижнего предела воспламенения и ниже
температуры спекания колчедана.
В настоящее время обжиг колчедана осуществляется в печах с кипящим слоем,
где производительность доведена до 450 т/сутки. Концентрация сернистого газа
при обжиге в печах КС составляет 14—14,5%.
В реакционном объеме печи КС установлены теплообменные элементы котла-
утилизатора для снижения температуры процесса.
Обжиг керамической массы. Получение фарфора основано на обжиге керамиче-
керамической массы и представляет собой большой комплекс термотехнологических про-
процессов.
Процессы, протекающие в керамической массе при обжиге, могут быть пред-
представлены последовательными реакциями дегидратации, диссоциации, окисления,
восстановления и синтеза новых фаз из исходных. Только в результате реакций
керамическая масса (смесь минеральных компонентов) становится керамическим
материалом.
Обжиг керамической массы начинается при постепенном нагреве до темпера-
температуры 250 °С, при которой удаляется гигроскопическая влага. Далее происходит
удаление конституционной влаги в интервале температур 450—850 °С, остатки ее
удаляются при 1000 °С. Максимум удаления конституционной влаги у каолинов
имеет место при температуре 580—600 °С.
Термодинамическое изучение протекающих в каолинах процессов показало
наличие при температуре до 1000 °С двух тепловых эффектов: при 550—800 °С —
эндотермического, которому соответствует дегидратация, и около 980 °С — экзо-
экзотермического.
Декарбонизация происходит главным образом в фаянсовых и майоликовых
массах и состоит в диссоциации MgCO3 и СаСО3. Диссоциация магнезиальной состав-
составляющей доломита (MgCO3-CaCO3) начинается при 500 °С. Известковая составля-
составляющая доломита и известняк заметно диссоциирует при температуре выше 920 °С.
Обе реакции заканчиваются практически при 1000 °С.
При температуре от 200 до 400 °С в порах обжигаемого изделия адсорбируется
сажистый углерод из дымовых газов. При 400 °С начинается выгорание этого угле-
углерода, заканчивается оно при температуре 1000 °С.
При температурах 1000—1250 °С протекают реакции восстановления оксидных
соединений железа и сульфатов, расплавление метакаолина и кварца, кристалли-
кристаллизация муллита и кристобалита. Восстановительная среда создается увеличением
концентрации СО в продуктах горения топлива. Схемы этих реакций:
6Fe2O3 + 2СО—>4Fe3O4 + 2СО2
Fe3O4 + СО—^3FeO + СО2
О2+ 2СО
2FeO+ SiO2—
Образуются файалит (FeO-SiO2) — бесцветное легкоплавкое соединение и дру-
другие алюмосиликатные бесцветные соединения оксида железа (II), что создает эффект
отбеливания фарфора. Восстановительная среда способствует также восстановле-
восстановлению сульфатов в сульфиты и сульфатов в оксиды:
CaSO4 + СО—^CaSO3 + СО2
CaSO4 + СО—*СаО + SO2 + СО2
Изменение фазового состава керамической массы при обжиге, сопровождаемое
изменением текстуры и структуры кристаллических составляющих, повышением
плотности фарфора, должно обеспечить необходимые эксплуатационные его свой-
свойства, что является основной задачей спекания.
Последующим этапом термотехнологического процесса является охлаждение
обожженных изделий. Здесь большое значение имеет точка перехода стеклофазы
26

из расплавленного пластического в твердое упругое состояние и точка отверждения
глазури.
Охлаждение до температуры 1000 °С следует проводить максимально быстро,
поддерживая безокислительную газовую среду. Последующее охлаждение глазурей
твердых фарфоров до 700—670 °С, глазурей мягких фарфоров до 570—530 °С и гла-
глазурей по фаянсу до 480—340 °С рекомендуется замедлять. При охлаждении ниже
этих температур необходимо учитывать возникающие напряжения.
Для обжига фарфора применяются туннельные и камерные печи, позволяющие
изменять печную газовую среду в первом случае по длине печи, а во втором —
по времени.
Обжиг антрацита. Термоантрацит является главным компонентом электродной
массы самообжигающихся электродов руднотермических печей. Термоантрацит
получают обжигом антрацита, осуществляемым с целью улучшения физико-меха-
физико-механических свойств, повышения термической стойкости, уменьшения электрического
сопротивления и реакционной способности, повышения плотности структуры (уве-
(увеличение истинной плотности).
В соответствии с существующими представлениями в результате термической
обработки антрацита без доступа воздуха при повышении температуры до 1300—
1350°С происходит выделение внешней влаги, отгонка адсорбированной влаги,
усадка, дегазация, пиролиз углеводородов и разложение сернистых соединений.
Термическая обработка антрацита рассматривается как стадия метаморфизма,
приводящая к изменению внутренней структуры органического материала в направ-
направлении увеличения размера кристаллитов с 2,5—3,0 нм B5—30 А) в исходных антра-
антрацитах до 20—30 нм B00—300 А) при нагреве до 2500—2800 °С [20].
В промышленности термоантрацит получают в ретортных печах с вращающимся
барабаном и электрокальцинаторах при температуре около 1160 °С при длительности
термообработки 1 ч. При этом выход годного продукта достигает 96%. Термическая
обработка осуществляется в основном за счет теплоты, получаемой от сжигания
выделяющихся из печи газов.
Обжиг известняка. Получение извести (СаО) основано на процессе термической
диссоциации карбоната кальция по стехиометрическому уравнению
СаСО3 = СаО + СО2
Процесс диссоциации состоит из следующих стадий: 1) разрушение частиц СаСО3
с образованием пересыщенного раствора СаО в СаСО3; 2) распад пересыщенного
раствора с образованием кристаллов; 3) десорбция и последующая диффузия газа.
Сырьем для получения извести является известняк с размерами кусков 40—
120 мм. В качестве топлива применяется кокс, антрацит, природный и печной газы
и мазут.
Вместе с основной реакцией протекают побочные реакции СаО с SiO2, СаО
с Fe2O3 и А12О3. На протекание процесса термической диссоциации оказывает влия-
влияние присутствие CaSO4, MgO и водяных паров.
Обжиг известняка и мела осуществляют в шахтных печах, печах с вращаю-
вращающимся барабаном и печах КС. Температура в зоне обжига поддерживается в интер-
интервале 1100—1250 °С, температура выгружаемой извести — не выше 75 °С.
Обжиг марганцевого концентрата. Получение оксида марганца МпО основано
на восстановительном обжиге концентрата диоксида марганца МпО2. Протекающие
при этом реакции описываются уравнениями:
МпО2 + Н2 = МпО + Н2О
МпО2 + СО = МпО + СО2
МпСО3 = МпО + СО2
СаСО3 = СаО + СО2
Мп(ОНJ = МпО + Н2О
Процесс восстановления марганца осуществляется при 750—800 °С в вихревой
печи и в восстановительной среде, достигаемой сжиганием природного газа с коэф-
коэффициентом расхода воздуха ос = 0,8.
27

Обжиг оловянных концентратов осуществляют для удаления серы и мышьяка,
вносящих осложнения в последующие переделы выщелачивания, плавки и рафи-
рафинирования. Мышьяк в оловянном сырье содержится главным образом в виде арсено-
пирита, а сера — в виде пирита и пирротина.
Сера и мышьяк при обжиге удаляются за счет термической диссоциации и окис-
окисления минералов:
2Fe7lSri+1 = 2nFeS + S2
4FeAsS = 4FeS + As4
4FenSn+1 + G/i + 4) O2 = 2/zFe2O3 + D/i + 4) SO2 f
4FeAsS + 10O2 = 2Fe2O3 + As4O6 f + 4SO2 f
2FeS + 7O2 = 2Fe2O3 + 4SO2 f
Процесс обжига оловянного концентрата осуществляют при температуре 700 °С
в подовых печах.
Обжиг медных сульфидных концентратов. Окислительный обжиг применяется
для удаления части серы с целью получения при плавке 25—30%-го штейна и газов,
содержащих 8—16% SO2 и пригодных для эффективного производства H2SO4.
Протекающие основные процессы разложения высших сульфидов и окисления
сульфидов металлов и серы описываются следующими уравнениями:
FeS2 = FeS + V2S2
FeS = 7FeS + V2S2
4FeS + 7O2 = 2Fe2O3 + 4SO2
Cu2S + 2O2 = 2CuO + SO2
2ZnS + 3O2 = 2ZnO + 2SO2
S2 + 2O2 = 2SO2
CaCO3 = CaO + CO2
Обжиг проводят в печах с кипящим слоем при 580—850 °С.
Сжигание — термотехнологический процесс осуществления
реакции горения горючих исходных материалов для получения но-
новых продуктов заданного химического состава и физико-химических
свойств, освобождения химической энергии материалов и терми-
термического обезвреживания отходов, загрязняющих окружающую
среду.
Реакции горения отличаются от других сильной экзотермич-
ностью, что обусловливает высокие температуры горения и отсут-
отсутствие внешних затрат энергии на проведение процесса. Высокие
температуры в свою очередь предопределяют большие скорости реак-
реакций и полноту превращения исходных горючих материалов в ко-
конечные продукты, что обеспечивает высокое качество, а для газо-
газообразных — большой выход. Большие скорости приводят к высо-
высокой производительности процесса при отсутствии необходимости
вводить энергию извне, чем обусловлена простота, надежность обо-
оборудования и высокие экономические показатели процесса.
Горючими исходными материалами называются химические ве-
вещества в газовой, жидкой и твердой фазах, способные к горению,
т. е. вступающие в экзотермическую окислительную реакцию
с окислителем.
28

Смесь горючего исходного материала с окислителем в определен-
определенном соотношении, необходимом для осуществления процесса горе-
горения с учетом получения заданного продукта, называется горючей
смесью. Полученные продукты при осуществлении этих окислитель-
окислительных реакций называются продуктами сгорания. Системная теория
печей рассматривает проблемы промышленного оформления про-
процессов безопасного сжигания исходных горючих материалов на базе
современной теории горения. Она рассматривает вопросы создания
с помощью аэродинамических приемов оптимальных условий для
управления процессами сжигания с заданной скоростью, темпера-
температурой и с получением пламени необходимой геометрической формы,
определяющих способ взаимодействия горючего и окислителя и
обусловливающих вид процесса сжигания. Она рассматривает воз-
возникающие взаимосвязи при горении исходных материалов, совме-
совместимость протекания реакции горения топлива с целевыми хими-
химическими реакциями в одном объеме, особенности химического взаимо-
взаимодействия между реагентами при химико-технологическом сжигании.
Протекание процесса сжигания исходных горючих материалов рас-
рассматривается совместно с теплотехническими процессами. Для про-
протекания реакции горения исходных горючих материалов необхо-
необходимы смесеобразование, организация воспламенения смеси, обеспе-
обеспечение условий распространения пламени и устойчивости горения.
I. Смесеобразование. Для организации процесса сжигания
исходных горючих материалов необходимо перемешивание их
с окислителем, обеспечивающее контакт между ними. При сжига-
сжигании жидких горючих материалов ускоряется нагрев и испарение,
что обусловливает интенсивное сгорание горючего до продуктов
полного или неполного окисления в минимальном объеме камеры
горения.
В основном смесеобразование осуществляют с помощью горелок,
форсунок и регистров для подачи вторичного воздуха (первичным
считается воздух, подаваемый в форсунку для распыления горю-
горючего). Смесеобразование в большинстве случаев завершается в ра-
рабочей камере печи или в камере горения после выхода горючего и
воздуха из форсунки (горелки) и регистра или газовой смеси из го-
горелки. Через форсунку и регистр в камеру горения выбрасывается
смесь горючего и окислителя, которая загорается на некотором рас-
расстоянии от устья, в том месте, где создаются соответствующие усло-
условия для воспламенения — необходимое соотношение смеси горючего
и окислителя для протекания химической реакции. Одним из основ-
основных элементов при распыливании жидких горючих материалов
служит распылитель форсунки, назначением которого является
разгон и размельчение жидкости путем создания разрывающейся на
нити пленки жидкости; нити затем распадаются на капли, движу-
движущиеся в заданном направлении. На разрыв жидкости, выбрасывае-
выбрасываемой из устья распылителя, влияют: 1) начальное возмущение по-
потока жидкости внутри распылителя, вызывающее турбулизацию
жидкости; 2) свойство печной среды, в которую выбрасывается по-
поток; 3) физические свойства собственно жидкости.
29

Процесс распыливания зависит от соотношения следующих
факторов: сил вязкости, силы поверхностного натяжения, сопро-
сопротивления воздуха и силы инерции.
II. Воспламенение. Для воспламенения исходных горючих ма-
материалов необходим начальный энергетический импульс. Разли-
Различают два способа воспламенения: самовоспламенение и зажигание.
Тепловое самовоспламенение возникает при экзотермической реак-
реакции и нарушении теплового равновесия, когда выделение теплоты
при химической реакции становится больше теплоотдачи. При мед-
медленном протекании реакции окисления теплота успевает отводиться
в окружающее пространство и температура в зоне реакции окисле-
окисления лишь немного выше температуры окружающей среды. При
быстром протекании экзотермических реакций теплота не успевает
отводиться в окружающую среду и температура в зоне реакции на-
начинает повышаться. По мере нагревания реагирующих веществ
скорость реакции быстро увеличивается, а вместе с этим возрастает
и скорость выделения теплоты. Одновременно растет и скорость
теплоотдачи, но медленнее, чем скорость выделения теплоты. Выделе-
Выделение теплоты возрастает с повышением температуры по экспонен-
экспоненциальному закону (уравнение Аррениуса).
Скорость теплоотдачи растет с повышением температуры линейно,
так как тепловой поток прямо пропорционален градиенту темпера-
температуры. Начиная с некоторой температуры, скорость теплоотдачи
отстает от скорости теплообразования и реагирующая система само-
саморазогревается, причем этот процесс идет ускоренно. В результате
при повышении температуры реакция может закончиться воспламе-
воспламенением и взрывом. Температура, после достижения которой нару-
нарушается тепловое равновесие, называется температурой самовоспла-
самовоспламенения; она служит характеристикой жидкого и газового топлива.
Температуру воспламенения Твостш определяют по уравнению:
т Е (\ l/i 4R т \
1 воспл = ~2jg- II — I/ 1 ^г— 1 окр I
где Е — энергия активации реакции; R — газовая постоянная; Гокр — темпера-
температура окружающей среды.
Максимальное значение температуры воспламенения ТвоСКпл =
- EIBR).
Если температура окружающей среды 70Кр > E/DR), то ста-
стационарное течение реакции горения невозможно, теплота не будет
успевать отводиться в окружающее пространство и произойдут вос-
воспламенение и взрыв.
Быстрое повышение температуры при воспламенении и взрыве
увеличивает давление газов. Если давление не успевает передаться
окружающей среде, то соседние зоны нагреваются до температуры
воспламенения и загораются.
Зажиганием называется вынужденное воспламенение исходных
горючих материалов, ведущее к возникновению самораспростра-
самораспространяющегося пламени. Зажигание подразделяется на три вида: нагре-
нагретой поверхностью твердого тела до температуры выше 1000 °С, откры-
30

тым пламенем запальника и искровое. Все эти виды зажигания ини-
инициируются локальным введением в ненагретую газовую смесь нагре-
нагретого высокотемпературного источника, который вызывает формиро-
формирование самораспространяющегося пламени.
Время самовоспламенения одиночной капли горючего материала
включает в себя: время, в течение которого происходит нагрев капли,
испарение горючего, образование горючей смеси в результате диф-
диффузии и смешения паров горючего с окружающей средой, нагрев
горючей смеси до достаточно высокой температуры, при которой
начинается быстрая химическая реакция, и время, в течение ко-
которого происходит развитие химической реакции и ее ускорение,
приводящее к образованию пламени.
При самовоспламенении жидкой капли горючего, внесенной
в высокотемпературную печную среду, необходимо также учитывать
время распыления жидкости.
В данном случае необходимо выделить две группы достаточно
характерных процессов: на начальной стадии воспламенения про-
протекают физические процессы, такие как распыление, теплоперенос,
газификация, диффузия и смешение, на последующей стадии проте-
протекают химические процессы.
Одни физические процессы без химических не способны вызвать
воспламенения. Скорость химического процесса сильнее зависит от
температуры среды, в которой он проводится, чем скорость физи-
физического процесса, поэтому при высоких температурах время хими-
химического процесса становится очень коротким, и остальное время
воспламенения приходится на физический процесс. При темпера-
температурах, близких к температуре воспламенения, время химического
процесса составляет основную часть времени воспламенения.
Соотношение скоростей физического и химического процессов
в зависимости от температурного интервала имеет важное значение
для практического использования самовоспламенения распылен-
распыленных горючих материалов.
Для определения времени воспламенения Вольфер предложил
следующую экспериментальную формулу для ряда горючих мате-
материалов:
__ 0,44-10-» 4650/г
1 ~ pi.19 П
где т — время воспламенения, с; Р — давление, кПа; Е — энергия активации,
кДж/моль; Т — температура, К.
Воспламенение предварительно перемешанных газовых горючих
смесей является гомогенным химическим процессом. Скорость вос-
воспламенения их полностью удовлетворяет требованиям современных
промышленных печей.
Воспламенение газовой горючей смеси возможно только в опреде-
определенных предельных условиях. Пределами воспламенения газовой
смеси называются предельные условия, при которых еще возможно
воспламенение и устойчивое распространение пламени. Пределы
воспламенения определяются экспериментально и являются одной
31

из характеристик газовой смеси. При рассмотрении состава смеси
указывают верхний и нижний концентрационные пределы воспла-
воспламенения.
Пределы воспламенения с ростом температуры расширяются,
а с небольшим снижением давления от атмосферного область между
верхним и нижним пределами воспламенения сужается. Ниже не-
некоторого давления распространение пламени становится совершенно
невозможным.
Нижний предел воспламенения свидетельствует о недостаточном
содержании горючего материала в смеси и зависит не только от
свойств газовой смеси, но и от характеристик источника зажигания
и реакционного сосуда.
Жидкие горючие материалы гмеют две характеристики: темпе-
температуру вспышки и температуру воспламенения. Вспышка — воспла-
воспламенение смеси воздуха с парами жидкости без загорания самой
жидкости; она происходит при соприкосновении паровоздушной
смеси с пламенем, нагретым телом или от электрической искры.
Вспышка может произойти только в том случае, если состав паро-
паровоздушной горючей смеси находится между верхним и нижним пре-
пределами воспламенения.
Зажигание горючих материалов в печи является наиболее опас-
опасной операцией для обслуживающего персонала. Практически основ-
основная часть взрывов в печах происходит в этот момент. Например,
для предотвращения взрыва при пуске серной печи большой произ-
производительности зажигание газовой смеси осуществляется в три этапа
с помощью двух специальных газовых горелок с различными расхо-
расходами природного газа.
III. Горение. Под процессом горения, осуществляемым в печах,
понимают протекание экзотермической окислительной химической
реакции с горючими материалами при высоких температурах, раз-
развиваемых в результате саморазогрева за счет освобождения хими-
химической энергии исходной системы.
Наиболее общее свойство горения — возможность при определен-
определенных условиях прогрессивного самоускорения химического превра-
превращения — воспламенения, связанного с накоплением в реагирующей
системе теплоты или активных продуктов цепной реакции.
Характерная особенность горения — способность к простран-
пространственному распространению пламени (зоны резкого возрастания тем-
температуры и интенсивной реакции) вследствие передачи теплоты или
диффузии активных частиц.
Движение пламени по газовой смеси, называемое распростране-
распространением пламени, бывает двух типов: детонационная волна и волна
горения.
Детонационная волна является одним из видов ударной или
взрывной волны, распространение которой сопровождается быстрым
тепловыделением благодаря химическим реакциям во фронте пла-
пламени. При этом имеет место разность давлений перед и за фронтом
волны; скорость распространения детонационной волны превышает
скорость звука.
32

Взрыв газовоздушных смесей характеризуется их мгновенным
сгоранием с большими скоростями, высокими давлениями и темпера-
температурами. Они вызывают разрушение сооружения, в котором произо-
произошел взрыв. Взрывы газовоздушных смесей возможны только в тех
случаях, когда количество газа в смеси находится в пределах взры-
ваемости (табл. 1). Вне этих пределов смеси самопроизвольно не
горят и не взрываются.
Волна горения распространяется посредством теплопередачи
и диффузии активных молекул от фронта пламени, последовательно
преобразовывая несгоревший газ в продукты сгорания. Скорость
распространения волны горения значительно ниже скорости звука,
а разностью давления перед и за фронтом волны можно пренебречь.
Устойчивость горения определяется фронтом воспламенения и
условиями его стабилизации. Скорость распространения пламени
определяется подготовленностью горючей смеси к сжиганию, ее
химическим составом и температурой. Скорости распространения
пламени некоторых горючих смесей приведены в табл. 2.
Осуществляемый в печах пламенный процесс можно разделить
на два вида: 1) спокойный и 2) циклонный (смесеобразование осу-
осуществляется в закрученном потоке газов). Видимое пламя представ-
представляет собой горящий светящийся поток раскаленных газов. Пламя
свободной струи имеет определенную геометрическую форму и раз-
размеры, характеризуется его длиной и углом раскрытия, т. е. шири-
шириной пламени, которая определяется разбросом горючих частиц и
зависит главным образом от конструкции сжигательных устройств
и регистров.
ТАБЛИЦА 1. Температура воспламенения и пределы взрываем ост и смесей
различных газов с воздухом
Газ
Водород
Оксид углерода
Метан
Этан
Пропан
Бутан
Этилен
Природный
Доменный
Коксовый
Сланцевый
Температура
воспламене-
воспламенения, °С
530—590
610—658
654-690
530-594
530-588
490-569
540-550
530
530
300—500
700
Предел
взрываемо-
сти смесей,
% (об.)
ниж-
нижний
4,0
12,5
5,0
3,2
2,4
1,9
2,8
4,5
35,0
7,0
6,1
верх-
верхний
74,2
74,2
15,0
12,5
9,5
8,4
28,6
13,5
75,0
21,0
35,0
Присадка балластного
газа, исключающая
зажигание смеси, %
азота
в газе
94,3
80,0
86,0
93,0
93,7
94,5
94,0
—
—
в воз-
воздухе
75,0
68,0
38,0
46,0
43,0
41,0
50,0
—
(об.)
диоксида
углерода
в газе
91,1
68,0
77,0
88,0
89,0
90,3
90,5
—
в воз*
духе
61,0
53,0
24,0
33,0
30,0
28,0
41,0
—
2 Исламов М. Ш.
33

ТАБЛИЦА 2. Скорости распространения пламени газа в смеси с воздухом
Газ
Водород
Оксид углерода
Метан
Пропан
Этилен
Ацетилен
При стехиометриче-
ском соотношении
содержание
газа, % (об.)
29,50
29,50
9,51
4,03
6,54
7,75
скорость,
м/с
1,60-1,80
0,28—0,30
0,34—0,37
0,41
0,60-0,63
1,00—1,28
В смесях с максимальной
скоростью распространения
содержание
газа, % (об.)
42,0—43,0
43,0—52,5
9,5—10,5
4,3
7,0—7,4
10,0-10,7
скорость,
м/с
2,67—2,65
0,41—0,46
0,37—0,38
0,43
0,63—0,81
1,31—1,57
Пламя распыленного жидкого горючего определяется в основном
движением и горением отдельных капель и условиями их взаимо-
взаимодействия. Ход процесса горения зависит от гидродинамических фак-
факторов, температуры и состава окружающей среды, кинетических
условий. При обтекании капель газовым потоком тепло- и массо-
обмен различен на поверхности капель. На условия обтекания ка-
капель влияет изменение плотности газа вследствие горения и тепло-
теплообмена.
При конструировании печей необходимо учитывать геометрию
пламени и камеры горения, так как их несоответствие приведет
к ухудшению теплообмена в печи и снижению стойкости футеровки.
В печах осуществляется практически непрерывное сгорание
исходных горючих материалов, поэтому здесь имеют место стацио-
стационарные пламена.
Химические процессы сжигания. Реакции
окисления компонентов исходных горючих материалов протекают
в полном соответствии с законами химической кинетики и сопро-
сопровождаются выделением теплоты и продуктов сгорания.
Важным фактором горения является фазовое состояние горю-
горючего и окислителя. Основные термодинамические характеристики
горючей смеси — теплотворная способность и теоретическая тем-
температура горения. По фазовому состоянию исходного горючего ма-
материала и окислителя различают гомогенное и гетерогенное горение.
Гомогенное горение — это горение горючих газов и паров
в среде газового окислителя (в большинстве случаев кислорода воз-
воздуха). В промышленных химических печах сжигаются такие газы,
как сероводород, водород, СО, углеводороды, хлор и т.д. Большей
частью реакции являются цепными.
В обычных условиях при развитии горения определяющее зна-
значение имеет предварительное нагревание (термическая активация),
Нормальное гомогенное горение подразделяется на ламинар-
ламинарное и турбулентное. Ламинарное пламя обладает определенной ско-
скоростью перемещения относительно неподвижного газа, которая за-
зависит от состава смеси, давления и температуры. Эта нормальная
скорость является физико-химической константой смеси.
34

Скорость распространения турбулентного пламени зависит от
скорости потока, а также от степени и масштаба турбулентности.
В печах сжигание горючих материалов осуществляется в потоке.
Пламенный процесс — горение отруи при ее истечении из сопла
в камеру горения или непосредственно в рабочей камере печи.
Различают горение заранее перемешанной смеси (сероводород,
водород, углеводород и т. д.) и горение при раздельном истечении
горючего и окислителя, когда лимитирующей стадией процесса
является перемешивание (диффузия) двух потоков (водород и хлор,
СО и др.).
Гомогенное горение веществ в печах осуществляется в определен-
определенном объеме камеры горения (муфельные печи) или непосредственно
в рабочей камере, где протекают целевые химические реакции. При
объемном процессе горения в камеру непрерывно подаются горючие
вещества и окислитель и непрерывно отводятся продукты сгорания.
При гомогенном горении лимитирующим фактором является
только однородность горючей смеси, так как реакции протекают
при высоких температурах.
Гетерогенное горение — это горение жидких и твердых горючих
материалов в среде газового окислителя. К гетерогенному горению
в печах относится горение серы, фосфора, мазута, антрацита, кокса
и т. д.
Горение жидкого горючего происходит только в паровой фазе,
и ему предшествует испарение горючего, смешение его с окислителем,
прогрев горючей смеси до температур, обеспечивающих достаточно
большую интенсивность химических реакций окисления.
Горение легко испаряющихся горючих материалов (сера, фосфор,
мазут) практически может быть отнесено к гомогенному горению,
так как воспламенение их осуществляется только в паровом состо-
состоянии горючего. Такие горючие материалы, как сера и серный кол-
колчедан должны быть предварительно нагреты до температуры, при
которой начинается реакция горения. Желтый фосфор обладает
способностью самовоспламеняться.
Практически все жидкие горючие материалы в печах предста-
представляют собой гетерогенную высокодисперсную капельную систему,
для которой определяющее значение имеют законы воспламенения
и горения каждой отдельной капли. Горение жидких горючих отно-
относится к объемному горению. Горение твердых горючих веществ
в печах осуществляется сжиганием твердых горючих материалов
(угли), которые являются топливом и одновременно компонентом
целевой химической реакции. В данном случае при нагревании
органические вещества разлагаются, выделяются в виде паров и
газов (летучие) и сгорают, а затем сгорает углерод в виде коксового
остатка.
Горение твердого топлива в печах осуществляется послойно.
При послойном процессе реакция протекает в узкой зоне, разделя-
разделяющей исходные реагенты от разогретых продуктов реакции, и само-
самопроизвольно перемещается по слою вещества с определенной ско-
скоростью в виде волны горения.
2* 35

Сжигание исходных горючих материалов в печах подразделяется
на три вида: химико-технологическое, энергетическое и энерготехно-
энерготехнологическое.
1. Химико-технологическое сжигание исходных материалов
в печах осуществляется в двух целевых направлениях. Первое
из них — получение новых продуктов на основе реакции горения.
В данном случае получаемые в печи продукты горения являются
целевыми продуктами технологической линии промышленного произ-
производства. К этому направлению относятся сжигание серы, фосфора,
фосфорсодержащего шлама, СО, углеводорода, сероводорода, водо-
водорода и др. Второе целевое направление — это термическое обезвре-
обезвреживание отходов, основанное также на реакции горения. Обезвре-
Обезвреживание отходов (находящихся в различных фазовых состояниях)
происходит за счет самостоятельного горения или при добавлении
горючего материала. Термическое обезвреживание отходов является
химико-технологическим приемом превращения их в нейтральные
по отношению к природе продукты и должно стать составной частью
современной промышленной технологии.
Характерным для химико-технологического сжигания исходных
материалов является коэффициент расхода окислителя, который
может быть меньше, больше или равен 1.
2. Энергетическое сжигание материалов (топлива) в печах осу-
осуществляется с целью освобождения химической энергии, которая
используется далее для проведения термотехнологических процессов.
Понятие «топливо» объединяет вещества, выделяющие энергию,
которая может быть использована технически. В данной работе
рассматривается только химическое топливо, которое выделяет
энергию при окислении горючих элементов, входящих в его состав.
По происхождению химическое топливо подразделяется на при-
природное и искусственное. Основные разновидности природного то-
топлива: газовое — природный газ, жидкое — нефть, твердое — ка-
каменный уголь; искусственное топливо — бензин, керосин, мазут,
сжиженные газы и отходящие реакционные газы от печей, содержа-
содержащие СО. Практически коэффициент расхода воздуха а>1.
Основными свойствами топлива являются химический состав,
отношение к нагреванию, теплота сгорания и температура горения.
При энергетическом сжигании топлива в печах протекают эндо-
эндотермические химические превращения исходных материалов, поэтому
всегда необходима проверка на совместимость протекания основной
целевой химической реакции и реакции горения топлива. Топливо
и продукты сгорания не должны вступать в химическую реакцию
с исходными материалами и получаемыми продуктами, ведущую
к образованию нецелевых продуктов или к ухудшению протекания
термотехнологического процесса. При несовместимости основной
целевой химической реакции и реакции горения топлива горение
осуществляется за пределами рабочей камеры печи; тепловая энер-
энергия передается через стенки реактора (муфеля), т. е. теплопровод-
теплопроводностью. Примерами может служить производство ультрамарина,
сурика* литопона, обжиг антрацита и т. д.
36

3. Энерготехнологическое сжигание исходных горючих мате-
материалов в печах осуществляется в двух целевых направлениях:
первое — для освобождения химической энергии исходных мате-
материалов, которая далее используется для осуществления термо-
термотехнологических процессов, и второе — для получения продуктов
неполного сгорания (СО), которые в том же процессе являются вос-
восстановительным реагентом (доменный процесс, восстановление мар-
марганцевого концентрата в вихревых печах и т. д.). Коэффициент
расхода воздуха а практически всегда меньше 1.
Сжигание хлора в струе водорода осуществляется в печах для получения пря-
прямым синтезом концентрированного хлористого водорода в производстве чистой соля-
соляной кислоты. Реакция описывается уравнением:
V2H2
V2C12 - HCI
Подачу реагентов в печь осуществляют через горелку, состоящую из двух кон-
концентрически расположенных кварцевых трубок. По внутренней подается хлор,
по наружной — водород. Верхний конец хлорной трубки устанавливается несколько
ниже верхнего конца водородной трубки, что обеспечивает полное сжигание хлора
в струе водорода и исключает возможность образования взрывоопасной смеси в печи.
Теоретическая температура пламени хлористого водорода 2240 °С. Однако избы-
избыток водорода и примесь других газов снижают эту температуру до 1000—1200 °С.
Взрывоопасные смеси в газах образуются только при определенных соотноше-
соотношениях компонентов. Области взрывных смесей в системе Н2—С12—НС1 показаны
на рис. 1 [21 ].
Спокойное невзрывное горение хлора в струе водорода обеспечивается при
3—5% избытке водорода от стехиометрического.
Необходимость работы с избытком водорода обусловливается увеличением сте-
степени использования хлора, его равновесного выхода, а также тем, что образующийся
на стенках печи хлорид железа FeCl2 может окисляться в FeCl3 в присутствии хлора
и кислорода. Пленка FeCl3 более пориста, чем пленка FeCl2, и поэтому имеет мень-
меньшее сопротивление для диффузии хлора, что важно для предохранения стенок печи
от коррозии.
Синтез хлористого водорода осуществляют в стальных конусных печах с воз-
воздушным охлаждением.
НС1
Рис.
Области взрывных смесей в системе Н,—С1,—НС1 [в %(o6.)L
37

ТАБЛИЦА 3. Пределы горючести
смеси сероводорода с воздухом
Условия рас-
распространения
пламени
Вниз
Вверх
Горизонтально
Содержание H2S,
% (об.)
нижний
предел
4,5
4,3
5,9
верхний
предел
19,0
45,5
27,2
Сжигание сероводорода. Сероводород
является составляющей продукции очи-
очистки газов (генераторных, коксовых, неф-
нефтепереработки, природных и т. д.). В про-
промышленных печах его сжигают в виде
сероводородного газа для получения ди-
диоксида серы.
Реакция горения сероводорода опи-
описывается формулой:
H2S+
= SOa+HaO
При сжигании сероводорода в струе
воздуха, в котором содержится большое
количество балластного азота, развивают-
развиваются высокие температуры. Они зависят
от концентрации H2S в сероводородном газе и избытка воздуха.
Скорость сгорания сероводорода зависит от температуры сжигания. В целях
сохранения футеровки температура в печи находится в пределах 1100—1200 °С.
Промышленное оформление процесса сжигания сероводорода такое же, как и
для сжигания газового топлива.
Если в сероводороде присутствует HCN, процесс сжигания H2S ведут при не-
недостатке кислорода (а<^ 1). В этом случае вследствие окисления HCN образуются
не оксиды азота, а элементарный азот, и таким образом предотвращается загрязне-
загрязнение продукционной серной кислоты оксидами азота. При недостатке кислорода
в печи выходящий из нее печной газ содержит некоторое количество несгоревшего
сероводорода или паров серы. Для полного окисления серы газ направляют в ка-
камеру дожигания, куда вводится необходимое количество воздуха.
В печах для сжигания сероводорода с высокой концентрацией расположены
змеевики парового котла. Это позволяет снизить температуру процесса сжига-
сжигания H2S, вести его при незначительном избытке кислорода (при отсутствии HCN),
что обеспечивает получение обжигового газа с высоким, содержанием SO2 и дает
возможность эффективно использовать выделяющуюся теплоту реакции окисления.
Этот процесс можно было бы отнести к энерготехнологическому сжиганию.
Сероводород при смешении в определенном соотношении с кислородом или
воздухом образует смесь, способную самовоспламеняться при нагревании. Темпера-
Температура самовоспламенения сероводорода в смеси с кислородом 220—235 °С, в смеси
с воздухом 346—379 °С [21].
Пределы горючести смеси сероводорода с воздухом зависят от условий распро-
распространения пламени (табл. 3).
Сжигание сероводорода низкой концентрации осуществляется в камерных печах
с постоянно работающей запальной горелкой и с бокситовой насадкой, являющейся
катализатором этого процесса.
Сжигание элементарной серы в печах осуществляется для получения диоксида
серы SO2, используемого в производстве серной кислоты.
В промышленных химических печах осуществляется сжигание расплавленной
серы. Горение расплавленной серы является сложным химическим процессом, так
как реагенты (сера и кислород воздуха), находясь первоначально в относительно
устойчивом молекулярном состоянии, прежде чем образовать конечный продукт
горения (SO2), проходят многочисленные стадии разрушительных и рекомбина-
ционных процессов.
Сложность заключается еще и в том, что на процесс горения серы оказывает
существенное влияние печная среда, состоящая из серы, кислорода, азота, паров
воды, обжиговых газов. Движение газового потока в печи осложняется теплообмен-
ными и физико-химическими явлениями из-за наличия в системе источников газо-
газообразования и тепловыделения. Таким образом, в печи создаются сложные поля
скоростей, концентраций газов и температур. Эти поля трудно поддаются точному
математическому описанию.
Горение расплавленной серы зависит от условий взаимодействия компонентов
реакционных смесей и сгорания отдельных капель. Эффективность процесса горения
определяется временем полного сгорания каждой отдельной капли.
38

|>ис 2. Зависимость длинt>i пути потока газов'!,
необходимого для полного окисления распыленной
жидкой серы, от среднего диаметра ее капель 60
при различном коэффициенте расхода воздуха о.
Значения а: / — 1,3; 2 — 1,2; 3 - 1,1; 4 — 1,05;
5-1.
40
0,15
0,20
Процесс горения капли серы зависит от
условий сжигания (температура в камере
горения и относительная скорость газового
потока) и физико-химических свойств жид-
жидкой серы (наличие в сере твердых зольных
примесей, битумов и др.) и состоит из сле-
следующих последовательных стадий: 1) смеше-
смешение капель жидкой серы с воздухом; 2) про-
прогрев капель серы и их испарение; 3) тер-
термическое расщепление паров серы; 4) обра-
образование газовой фазы и воспламенение ее;
5) горение газовой фазы. 20
Одним из важнейших параметров горе-
горения расплавленной серы является длина с5^;мм
пути потоков газов, необходимая для пол-
полного выгорания. Длина пути определяет внутреннюю длину камеры горения печи.
Длина пути потока газов L (в м), необходимая для полного выгорания распы-
распыленной жидкости серы, может быть определена по формуле:
L =
где С — константа (получена экспериментально, ее среднее значение равно 35,7,
что соответствует выгоранию серы в камере горения печи на 99,5 %); б0 — средний
поверхностный диаметр капель, мм; v — скорость потока, м/с; К — константа ско-
скорости горения, мм2/с (К = 1,49 при 1360 °С, К = 1,55 при 1460 °С); а— константа
скорости испарения, мм2/с (а = 0,59 при 1360 °С, а = 0,66 при 1460 °С).
На рис. 2 представлена зависимость длины пути выгорания распыленной жид-
жидкой серы от среднего диаметра ее капель при различном коэффициенте расхода воз-
воздуха и скорости потока v = 35 м/с. С помощью этой зависимости можно установить
размеры печи для сжигания серы или определить степень выгорания серы в реак-
реакционном объеме. На рисунке использован критический средний диаметр капель
серы: при 60< бкр в печи будет иметь место полное выгорание диспергированной
жидкой серы, а при 60 > 6кр — неполное.
Расплавленная и диспергированная сера может гореть с пламенем только тогда,
когда она окружена раскаленной поверхностью футеровки печи. Учитывая стойкость
футеровки серных печей и высокую интенсивность испарения жидкой серы, ее сжи-
сжигание осуществляют при температурах в печи 1000—1200 °С.
Сжигание расплавленной серы осуществляют в циклонных и камерных печах,
которые оборудованы специальными пусковыми горелками (форсунками) для сжи-
сжигания топлива с целью предварительного нагрева футеровки реакционного объема
до 600 °С; только после этого вводится расплавленная сера, воздух и начинается
процесс сжигания.
Сжигание жидкого желтого фосфора осуществляется для получения фосфорного
ангидрида (Р|Ою) в газовой фазе. Реакция описывается уравнением
2Р2 + 5О2 = Р4О10
Поступающий на сжигание желтый фосфор нагревается до температуры 80 °С,
находится в жидкой фазе и самовоспламеняется.
Сжигание желтого фосфора осуществляется в конических печах башенного
типа, при этом в печи поддерживается температура до 1500 °С.
Выплавка металлов. Выплавка — термотехнологи-
термотехнологический процесс получения металлов из руд и шихт, основанный на
полном расплавлении шихты и разделении расплава на два слоя
39

(металл — шлак, металл — штейн). Этим способом получают: сталь,
чугун, никель, кобальт, свинец, черновую медь, черновой кадмий,
олово, сурьму и т. д.
Выплавка стали осуществляется полным расплавлением шихты и разделением
расплава на железоуглеродистый сплав, содержащий от 0,025 до 2,06 % Fe, Си,
Ni, Mo, W и шлак.
Протекающие при выплавке стали химические реакции могут быть описаны
уравнениями:
Fe2O3 + Fe
FeO+C—>
FeO+Mn—►
2FeO+Si—►
5FeO+ 2Fe2P —
2FeO+ H2O—>
=
Fe
Fe
2F(
>91
-Fe
3FeO
+
+
Fe-
CO
MnO
SiO2
f P2O5
3 + Ha
2H2 + O2 = 2H2O
2FeO + CO2 —> Fe2O3 + CO
CO+ O2—^CO2
2FeO + Si ч=> 2Fe + SiO2 и т. д.
Выплавку стали осуществляют в отражательных мартеновских печах при тем-
температуре 1800 °С.
В рабочем пространстве мартеновской печи печная газовая среда окислительная.
Получение свинца. Свинец получают методом восстановительной плавки. Цель
плавки — максимально извлечь свинец в черновой металл и получить экономичный
шлак.
Поскольку энергия Гиббса образования оксидов и соединений оксидов свинца
с SiO2 и Fe2O3 относительно невелика, для восстановления свинца требуется слабо-
слабовосстановительная атмосфера. Часть соединений свинца восстанавливается непо-
непосредственно коксом (прямое восстановление), однако превалирующей реакцией
является взаимодействие с газообразным восстановителем — СО.
Реакция восстановления свинца из свободного оксида свинца РЬО описывается
уравнением:
Процесс восстановления свинца осуществляется в шахтной печи при 160—
180 °С.
Получение никеля. Одним из способов получения никеля является восстановле-
восстановление его из руд. Протекающие при этом реакции описываются уравнениями:
NiO + Н2 = Ni -f H2O
3Fe2O3 + Н2 = 2Fe3O4 + Н2О
NiO + Co = Ni + CO2
Процесс ведут в сильновосстановительной газовой среде, достигаемой сжига-
сжиганием топлива с а = 0,5 в подовых печах. Нагрев руды в печи не должен превы-
превышать 780 °С, чтобы ограничить количество растворимого MgO.
Поскольку в руде никель находится главным образом в виде твердого раствора
в оксидах железа, конечный продукт представляет собой железоникелевый сплав.
Никель получают также в шахтных отражательных печах и печах кипящего
слоя.
40

Дистилляция металлов — термотехнологический процесс получе-
получения металлов из концентратов, основанный на восстановлении их
и переводе из расплава в парообразное состояние с последующей
конденсацией. Таким способом получают цинк, кадмий, сурьму,
ртуть и др. Например, дистилляция цинка из цинкового концентрата
осуществляется для получения чистого цинка переводом его из
расплава в парообразное состояние с последующей конденсацией.
Протекающее при этом восстановление цинка описывается уравне-
уравнением:
ZnO (тв.) + C4=*Zn (пар) + СО
Цинк в момент восстановления получается в парообразном
состоянии.
Процесс осуществляется при 1200—1250 °С в ретортных и шахт-
шахтных печах.
Термохимическое рафинирование метал-
металлов. Металлы, получаемые из рудного сырья, еще не представляют
собой готового продукта. Они содержат примеси, и поэтому необ-
необходимо их рафинирование.
Термохимическое рафинирование — термотехнологический про-
процесс получения металлов обработкой расплавленных черновых ме-
металлов с помощью различных присадок (солей, шлаков), окислением
примесей, вакуумированием расплава и т. д. Этим способом получают
медь, цинк, кадмий, олово, сурьму, ртуть и т. д.
Например, рафинирование черного олова обеспечивает получение
товарного металла высших марок. Полный цикл рафинирования
включает последовательно осуществляемые операции удаления же-
железа, мышьяка, меди, сурьмы, висмута и свинца. В зависимости от
состава черного олова некоторые из этих операций могут быть
исключены или объединены.
Удаление железа осуществляется введением в расплав черного
олова мелкого газового угля E00—600 °С); более глубокое удаление
железа достигается введением элементарной серы C50—405 °С),
переводящим железо в форму сульфида.
Удаление мышьяка основано на образовании тугоплавких соеди-
соединений As—А1. Одновременно с мышьяком удаляется остаточное
железо и частично медь и сурьма, а также интерметаллические
соединения с алюминием. Алюминий вводится в черное олово при
температуре не выше 500—600 °С.
Удаление меди проводится при 280—350 °С, реагентом является
элементарная сера.
Сурьму удаляют введением алюминия при температуре 550 °С
(лигатуры — при 450 °С).
Удаление висмута основано на образовании интерметаллических
соединений висмута с магнием и натрием. Магний вводится при 38Q —
400 °С, натрий — при 240—300 °С.
Удаление свинца основано на обменной реакции
Pb + SnCla = PbCi2 + Sn
Этот процесс проводят при температуре 240—250 °С.
41

Общая продолжительность полного цикла рафинирования олова
составляет 40—80 ч; процесс осуществляют в печах с металлическим
тиглем полусферической формы.
Химико-термическая обработка метал-
металлов — это совокупность технологических процессов, приводящих
к изменению химического состава, структуры и свойств поверхности
металла без изменения состава, структуры и свойств его сердцевин-
сердцевинных зон; осуществляется с помощью диффузионного насыщения
поверхности различными элементами при повышенных температурах.
Выбор элемента определяется требуемыми свойствами поверхно-
поверхности детали. Насыщение проводят углеродом (цементация), азотом
(азотирование), азотом и углеродом (нитроцементация, цианирова-
цианирование), металлами, бором (борирование), кремнием (силицирование)
и т. д.
В зависимости от физико-химического состояния среды, содержа-
содержащей диффундирующий элемент, различают химико-термическую
обработку из газовой, жидкой, твердой или паровой фазы (чаще
применяются первые два метода). Химико-термическая обработка
лроводится в газовых, вакуумных или в ванных печах. Химико-
термической обработке подвергаются изделия из стали, чугуна,
чистых металлов, сплавов на основе никеля, молибдена, вольфрама,
кобальта, ниобия, меди, алюминия и др.
Физико-химические процессы, происходящие вблизи поверх-
поверхности при химико-термической обработке, заключаются в образова-
образовании диффундирующего вещества в атомарном состоянии вследствие
химических реакций в насыщенной среде или на границе раздела
среды с поверхностью металла (при насыщении из газовой или
жидкой фазы), сублимации диффундирующего элемента (насыщение
из паровой фазы), последующей сорбции атомов элемента поверх-
поверхностью металла и их диффузии в поверхностные слои металла.
Концентрация диффундирующего вещества на поверхности металла
возрастает с повышением температуры (по экспоненциальному за-
закону) и с увеличением продолжительности процесса (по параболи-
параболическому закону). Диффузионный слой, образующийся при химико-
термической обработке деталей, изменяя структурно-энергетическое
состояние поверхности, оказывает положительное влияние не только
на физико-химические свойства поверхности, но и на объемные
свойства деталей. Химико-термическая обработка позволяет придать
изделиям повышенную износостойкость, жаростойкость, коррозион-
коррозионную стойкость, усталостную прочность и т. д.
Возгонка. Получение желтого фосфора основано на восста-
восстановлении фосфата кальция углеродом в присутствии кремнезема.
Реакция описывается уравнением:
Са3(РО4J + 5С + /iSiOa = Р2 + 3 (CaO-nSiO2) + 5CO
Фосфор в печи получается в паровой фазе, и поэтому процесс
называется возгонкой фосфора.
Кремнезем в шихту вводится для снижения температуры про-
процесса, так как в его присутствии образуются эвтектические смеси
и получаются легкоплавкие шлаки.
42

Имеющиеся в сырье примеси А12О3, Fe2O3, которые, как и SiO2,
образуют эвтектические смеси с СаО, снижают температуру процесса,
ускоряют его и дают легкоплавкие шлаки. Fe2O3 частично вступает
в реакцию* с углеродом, восстанавливаясь до элементарного железа
Fe2O3 + ЗС = 2Fe + ЗСО
которое с фосфором образует тяжелый фосфид железа Fe3P (ферро-
фосфор), скапливающийся на поду печи.
Возгонку фосфора практически проводят при температуре 1400—
1600°С в электрических руднотермических печах типа РКЗ. Мощ-
Мощность их составляет 24; 48; 72 и 80 MB А.
На 1 т фосфора получается до 2500 м3 газа, который содержит:
фосфора — 300—350 г/м3; СО —85—90%; СО2 — не более 1%;
SiF4, РН3 и другие газы—0,2—0,6%; до 1 т шлака (около 48%
СаО, 38—39% SiO2, 5% А12О3 и другие вещества).
Температура отходящих печных газов составляет 300—350 °С.
Пиролиз — термотехнологический процесс разложения и раз-
различных превращений исходных материалов в адиабатических усло-
условиях при высокой температуре.
Получение ацетилена (С2Н2) основано на пиролизе, т. е. термическом разложе-
разложении, и различных превращениях исходных углеводородов при температуре выше
1000 °С в адиабатических условиях за 0,005—0,02 с. В течение этого времени необ-
необходимо осуществить нагрев сырья, непосредственно реакцию и охлаждение обра-
образующихся продуктов до 200 °С.
Получение ацетилена может быть описано уравнениями:
422+ ЗН2
С2Н4 < > С2Н2 ~Ь Н2
3C2He<=iC2Ha+4CH4
2С4Н10 +=> С2Н2 + ЗС2Н6
С повышением температуры в интервале 1200—1500 °С резко возрастает сте-
степень равновесного превращения метана в ацетилен.
Давление в интервале 10—100 кПа влияет на состав продуктов реакции лишь
до 1300 °С, а при более высоких температурах степень превращения метана от дав-
давления не зависит [22].
При проведении процесса пиролиза углеводородов в вакууме в изотермических
условиях можно добиться выхода ацетилена до 90%.
Ацетилен получают в трубчатых печах, обогреваемых снаружи продуктами
сгорания топливного газа. Температуру стенки печи поддерживают в интервале
1160—1480 °С. Давление исходного сырья (пропан, бутан, бензин, реактивное топ-
топливо) составляет 23—100 кПа. Сырье и водяной пар нагревают до 900—1000 °С.
На протекание термотехнологического процесса влияет материал труб. В при-
присутствии кобальта, железа, меди и особенно никеля ускоряется разложение сырья
до углерода и водорода. Наличие хрома снижает действие никеля, поэтому целе-
целесообразно применять сплавы, содержащие оба эти компонента.
Коксование — метод переработки спекающихся углей,
заключающийся в нагревании их без доступа воздуха до 900—
1050 °С. Угли при этом разлагаются с образованием летучих веществ
и твердого остатка — кокса, используемого в металлургии и химии.
При нагревании компоненты угля претерпевают физические
43

и химические превращения: до 250 °С происходит испарение влаги,
выделение СО и СО2; около 300 °С начинается выделение паров
смолы и образование пирогенетнческой воды; свыше 350 °С уголь
переходит в пластическое состояние; при 500—550 °С наблюдается
бурное разложение пластической массы с выделением первичных
продуктов (газа и смол) и отвердением ее с образованием полукокса.
Повышение температуры до 700 °С сопровождается дальнейшим раз-
разложением полукокса, выделением из него газообразных продуктов;
выше 700 °С происходит преимущественно упрочнение кокса.
Летучие продукты, соприкасаясь с раскаленным коксом и нагре-
нагретыми стенками и сводами камеры, в которой происходит коксование,
подвергаются пиролизу, превращаются в сложную смесь паров
(с преобладанием соединений ароматического ряда и газов, содер-
содержащих водород, метан и др.). Большая часть серы исходных углей
и все минеральные вещества остаются в коксе.
Коксование углей осуществляется в коксовых печах системы
ПК, ПК-47, ПК-2К, ПВР, в камерах коксования, куда теплота
передается через динасовую стенку; температура обогреваемых
стенок достигает 1450 °С за счет сжигания коксового или доменного
газов.
Крекинг — термотехнологический процесс деструктивной
переработки нефти, при которой происходят изменения строения
молекул исходного сырья.
В общем виде процесс описывается следующим уравнением:
Термический крекинг нефти осуществляется при температуре
450—650 °С и давлении до 70 МПа в трубчатых печах.
Термосинтез — это термотехнологический процесс полу-
получения сложных веществ из более простых при высоких темпера-
температурах.
Получение карбида кальция. Карбид кальция получают сплавлением оксида
кальция и углерода; реакция описывается уравнением:
СаО + ЗС = СаС3 + СО
Оксид кальция реагирует с углеродом лишь на 70—80 %, поэтому в товарном
продукте всегда присутствует 12—25% СаО. Это обстоятельство очень важно для
облегчения выпуска расплава из печи, так как чистый карбид кальция плавится
при 2300 °С, а оксид кальция — при 2585 °С. При сплавлении карбида кальция
с оксидом кальция температура плавления смеси снижается в зависимости от содер-
содержания компонентов. Наиболее низкая температура плавления A750 °С) у эвтекти-
эвтектической смеси состава 55% СаС2 и 45% СаО. Присутствие различных химических и
механических примесей в обожженной извести и в золе кокса также отражается на
температуре плавления получаемого карбида кальция.
Скорость образования карбида кальция зависит от физико-химических свойств
извести, углеродистого материала (плотность, реакционная способность, размер
кусков, наличие примесей и т. д.), электрических параметров печи (температурного
режима, режима слива) и условий эксплуатации.
Промышленный способ получения карбида кальция основан на сплавлении
компонентов в карбидных электрических печах с полузакрытой и закрытой ванной,
имеющих мощность 60 MB-А и работающих как печи сопротивления.
Получение сероуглерода основано на синтезе из серы и твердого углерода по
реакции:
С + 2S = CS2
44

Процесс осуществляется в муфельных одно- или многогорелочных печах, так
как недопустим контакт дымовых газов с исходными материалами и получаемым
продуктом. Температура в печи поддерживается в пределах 800—900 СС.
Для получения сероуглерода применяются также электрические печи сопро-
сопротивления и 'дуговые.
Варка стекла — сложный высокотемпературный процесс,
при котором имеет место ряд физических и физико-химических явле-
явлений и химических реакций. Процесс варки стекла состоит из не-
нескольких стадий: силикатообразование (900—1000 °С), образование
расплава стекломассы A000—1200 °С), дегазация A450—1500 °С)
и студка стекломассы до 1050—1250 °С.
Сырьем для получения стекла являются кварцевый песок, борная
кислота и бура, сода, сульфат натрия или поташ, известняк или
мел, магнезит, борит или витирит, каолин, сурик или свинцовый
глет, карбонат цинка, нефелин, полевые шпаты, а также стекольный
бой и отходы других производств.
Кроме того, применяют осветлители для удаления газовых вклю-
включений из стекломассы (NaNO3, As2O3, NH4C1), обесцвечиватели (NiO,
Se, соединения кобальта и марганца), глушители для получения
матовых, молочных, опаловых стекол и эмалей (гидрофосфаты,
соли фтора), красители и т. д.
Термическое разложение — это термохимический
процесс разложения сложных химических веществ на более простые
при высоких температурах.
Получение кальцинированной соды (Na2CO3) основано на термическом разложе-
разложении сырого бикарбоната натрия (NaHCO3). Реакция описывается уравнением:
2NaHCO3 = Na2CO3 + СО2 + Н2О
Скорость разложения NaHCO3 зависит от температуры в печи и печной среды
(от парциальных давлений газообразных СО2, NH3 и Н2О над твердой фазой).
В промышленной печи кальцинирование проводят при 140—170 °С в печи с вра-
вращающимся барабаном с наружным обогревом без контакта исходного материала и
получающихся продуктов с дымовыми газами.
Получение технического углерода (сажи) основано на термоокислительном раз-
разложении углеводородов (CrtHm) под действием высокой температуры при недостатке
кислорода. Процесс разложения углеводородов осуществляют сжиганием в печи
топлива (газового или жидкого) или части сырья, из которого получают технический
углерод.
Реакция термического разложения углеводородов может быть выражена урав-
уравнением:
CnHm <=> лС -\—2~ ^2
В газовой фазе остаются азот, водяной пар и в небольших количествах метан.
Если в сырье содержатся сернистые соединения, в газах находится еще сероводород
и сероуглерод.
Образование водяного газа не сказывается на свойствах технического углерода;
взаимодействие технического углерода с СО2 и водяным паром приводит к сниже-
снижению его выхода, а также влияет на поверхность углерода — она становится шеро-
шероховатой.
Сырье вводят в печь в виде распыленных капель.
В печи осуществляются следующие процессы: испарение капель сырья; непол-
неполное сгорание сырья с образованием СО и паров воды; термическое разложение угле-
углеводородов сырья с получением технического углерода и формированием его частиц;
взаимодействие между полученным техническим углеродом и газообразными про-
продуктами процесса.
45

Создание необходимой температуры для разложения углеЕодородов заы.сит
от количества сжигаемой части сырья, его теплотворной способности, от количества
и температуры воздуха, подаваемого в печь. С повышением температуры интенсив-
интенсивность процессов, протекающих в печи, возрастает. Скорости испарения и частичного
сгорания капель сырья зависят от степени его распыленности. Чем меньше размеры
капель, тем быстрее протекают эти процессы.
В основном технический углерод получают в цилиндрических горизонтальных,
циклонных и форсуночных печах. Температура в печи поддерживается в зависимо-
зависимости от марки получаемого технического углерода — от 1200 до 1440 СС. Время пре-
пребывания технического углерода в зоне высокой температуры — 0,05—4,5 с. Ско-
Скорость газа в зоне образования сажи — 6—60 м/с.
Гидротермическая переработка шихты.
Обесфторивание фосфатов основано на гидротермической перера-
переработке гранулированной шихты из апатитового концентрата
(Са10(РО4N) и фосфорной кислоты (Н3РО4).
Монокальцийфосфат, содержащийся в шихте, по мере продвиже-
продвижения материала по печи дегидратируется под воздействием темпера-
температуры F00—700 °С) с образованием метафосфата кальция:
Са(Н2РО4J-Н2О—^Са(РО3J+ ЗН2О
При дальнейшем продвижении материала по печи и нагревании
его в атмосфере водяных паров до 1100—1200 °С происходит взаимо-
взаимодействие апатита с метафосфатом кальция с образованием пиро-
фосфата кальция
Ca10(PO4NF2 + 4Са(РО3J + Н2О—>7Са2Р2О7 + 2HF
и взаимодействие апатита с пирофосфатом с образованием три-
кальцийфосфата
Ca10(PO4NF2 + Са2Р2О7 + Н2О —-> 4Са3(РО4J + 2HF
Суммарная реакция обесфторивания фосфатов имеет следующий
вид:
3Ca10(PO4NF2 + 2Н3РО4 -^ ЮСа3(РО4J + 6HF
Температура обесфторивания в промышленной печи с враща-
вращающимся барабаном составляет 1340—1380 °С. Продолжительность
технологического процесса — 10—13 ч. Температура продукта, вы-
выходящего из печи, равна 50—80 °С, а дымовых газов — 600—800 °С.
В печах осуществляются также многие другие виды термотехно-
термотехнологических процессов с получением целевых продуктов.
Термическое обезвреживание промыш-
промышленных отходов — это термотехнологический процесс
распада их на более простые и неагрессивные к окружающей среде
вещества при высоких температурах. В современном промышленном
производстве химической, металлургической, фармацевтической, пи-
пищевой, бумажной промышленностей и при различных промышленных
переработках получается большое количество различных отходов
в твердой, аморфной, жидкой и газовой фазах, которые оказывают
вредное воздействие на человека и загрязняют окружающую среду.
46

К промышленным отходам относятся: 1) твердые — деревянная
тара, фанера, картон, бумажные мешки и т. д., которые загрязнены
токсичными веществами; 2) аморфные — растительные и животные
жиры, гудроны и т. д.; 3) жидкие — разные спиртовые растворы
в воде, отработанные минеральные и органические кислоты, растворы
горючих продуктов и разных солей с другими токсичными веще-
веществами, кубовые остатки, отработанные масла, нефтесодержащие
и фосфорсодержащие шламы и т. д.; 4) газовые — отбросные и печные
♦ газы, пар, загрязненный горючими примесями, и т. д.
Все эти отходы подлежат переработке по возможности с полу-
получением товарного продукта, который может быть реализован в на-
народном хозяйстве, или должны быть полностью обезврежены и
переведены в нейтральные по отношению к окружающей среде ве-
вещества. Одним из способов обезвреживания промышленных отходов
является осуществление термохимического процесса в промышлен-
промышленных химических печах при высоких температурах.
Термохимическое обезвреживание промышленных отходов осно-
основано на осуществлении следующих процессов: 1) сжигание; 2) тер-
термическое разложение. Эти процессы могут протекать с обезврежива-
обезвреживанием отходов и одновременным получением товарного продукта или
только с переводом токсичных отходов в состояние, нейтральное
к окружающей среде.
Факторами, от которых зависит протекание процессов термо-
термотехнологического обезвреживания отходов в промышленных печах,
являются химический состав и физико-химические свойства этих
отходов.
1. Содержание горючих веществ. Горючие компоненты в отходах
находятся в виде твердых, летучих или в жидком состоянии. Количе-
Количество горючих веществ в отходах определяет теплоту горения их,
а следовательно, и способ сжигания как горючего вещества без
добавления топлива или с его добавлением.
2. Содержание влаги. Содержание влаги в отходах обусловли-
обусловливает высокий расход теплоты для выпаривания и перегрева, а вслед-
вследствие снижения воспламеняемости оказывает сильное влияние также
и на процесс сжигания. Несмотря на предварительное механическое
и термическое обезвреживание, обычное содержание влаги в шламе
находится в пределах 50—95%. При высокой теплотворной способ-
способности сухого вещества и низком содержании воды теплота отводится
для поддержания определенной температуры сжигания, а при низком
содержании сухого вещества и высоком содержании влаги теплота,
напротив, подводится. Вместе с содержанием горючего вещества
содержание влаги определяет «избыток теплоты», «потребление
теплоты» для обезвреживания отходов.
3. Содержание минеральных компонентов. Содержание и тип
минеральных компонентов различно влияют на процесс сжигания.
Твердые вещества в зависимости от величины зерен могут засорять
подводящие трубопроводы и сопла или образовывать после сжигания
пыль в системе отходящих газов. Кроме того, они могут увеличивать
износ установки и, прежде всего, образовывать низкоплавкие шлаки.
47

В большинстве случаев точки размягчения золы находятся в пре-
пределах 1100 °С, так что превышение этой температуры очень часто
приводит к нарушениям работы печи.
4. Содержание коррозионных веществ и компонентов, поврежда-
повреждающих футеровку печи. Содержащиеся в отходах оксиды железа и ва-
ванадия, а также соединения фтора разрушающе действуют на футе-
футеровку печи. Вредными для окружающей среды являются хлор и
оксиды серы (SO2, SO3).
5. Содержание летучих веществ. Вследствие легкой воспламеня-
воспламеняемости эфир и низкокипящие углеводороды могут привести к взрывам
в помещении.
6. Содержание ядовитых компонентов. Ядовитые вещества
должны быть полностью обезврежены при температурах сжигания.
Органические ядовитые вещества могут быть устранены сжиганием.
При более высоких концентрациях ядовитых металлических соеди-
соединений, например солей свинца, серебра, соединений кобальта или
оксидов мышьяка, необходимо следить за особенно тщательной
очисткой дымовых газов от летучих соединений леталла. Часто
предпочтительнее отделять ядовитые неорганические соединения до
сжигания.
Основным требованием термохимического обезвреживания от-
отходов в промышленных печах является полное сжигание всех вред-
вредных органических компонентов, для чего необходимо поддерживать
в реакционном объеме печи температуру не ниже 800 °С. Эта тем-
температура для многих видов отходов не может быть достигнута без
дополнительной подачи горючего материала. С другой стороны,
в целях уменьшения расходов на топливо и увеличения срока
службы футеровки, нежелательно чрезмерно повышать температуру
в камере сгорания. Из этого следует, что экономический оптимум
сжигания жидких отходов приближается большей частью к процессу
с относительно низкой температурой сжигания и медленным
сгоранием.
В зависимости от фазового состояния отходов их обезвреживание
в промышленных печах осуществляют при различном аппаратурно-
технологическом оформлении процессов.
1. Твердые отходы сжигают в камерных печах.
2. Аморфные отходы подвергают термическому разложению с
последующим сжиганием в печах с кипящим слоем или в камерных
печах.
3. Жидкие отходы подлежат обезвоживанию с последующим
нагревом органического сухого остатка до температуры начала
реакции, химическим превращением (окисление, разложение), затем
плавлением неорганических веществ и охлаждением плавов до тем-
температуры, при которой осуществляется выгрузка. Процесс проводят
в камерных циклонных печах.
4. Газовые отходы сжигают как газовое топливо или с добавкой
топлива в камерных циклонных печах.
Термохимическое обезвреживание промышленных отходов яв-
является неотъемлемым термотехнологическим процессом современ-
48

ного промышленного производства, имеющего отходы, загрязняющие
окружающую среду.
Термоокислительное обезвреживание
промышленных отходов — это термотехнологический
процесс окисления вредных примесей, содержащихся в них, при
высоких температурах.
Кубовый остаток в производстве карбофоса представляет собой сток, содержа-
содержащий большое количество поваренной соли и различные органические вещества.
"Целью термохимического обезвреживания является окисление органической состав-
составляющей стока с получением плава соли NaCl, являющейся товарным продуктом.
Обезвреживание кубового остатка осуществляется в циклонной печи [23]
при температуре 800 °С.
Надсмольные воды представляют собой стоки, содержащие токсичные органи-
органические вещества (циклогексанол, сульфанол, концентрат сульфидноспиртовой барды
и др.). Обезвреживание надсмольных вод осуществляется в вертикальных цилиндри-
цилиндрических камерных печах при температуре 800°С.
Сточные воды производства низкомолекулярных полиамидных смол включают
в себя этилендиамин, высшие полиамиды, жирные кислоты, метиловый спирт, гли-
глицерин, уксусную кислоту, окисленные полимеры, льняное и соевое масла, ацетат
калия, воду. Надежное обезвреживание этих сточных вод осуществляется в циклон-
циклонных печах при температуре 960 °С.
Отработанные органические кислоты содержат 65% воды. Кислоты сжигаются
при температуре 1200 °С в камерных печах.
Нефтяной шлам содержит летучие углеводороды, которые подлежат сжиганию
в печах КС с инертным материалом (речной песок) при температуре 700 °С.
Термическое разложение отработанных
минеральных кислот. Отработанные минеральные кис-
кислоты НС1, H2SO4 подвергаются разложению в печах КС с инертным
материалом. Органические составляющие этих кислот окисляются.
Процесс проводят при температуре 800 °С.
В печах осуществляется также термохимическое обезвреживание
многих других отходов промышленности.
Коллоидные термотехнологические процессы
Целенаправленные коллоидные превращения исходных мате-
материалов, осуществляемые в печах, являются способом получения
целевых продуктов в виде хлеба, хлебобулочных и кондитерских
изделий.
Исходным материалом, подвергающимся тепловому воздействию
во влажной среде, является тесто-хлеб, который по структуре и
химическому составу является высокогидратированным коллоидным
капиллярно-пористым материалом.
При выпечке в тесто-хлебе одновременно протекает комплекс
взаимосвязанных физических, биохимических, микробиологических
и коллоидных процессов, приводящий его к превращению в мякиш.
К физическим процессам относятся: увеличение давления в тесте
и его объема из-за выделяющегося СО, превращение спирта в паро-
парообразное состояние с последующим расширением его при дальней-
дальнейшем нагреве. Эти процессы протекают при нагреве тесто-хлеба до
температуры 79 °С [12].
49

К биохимическим процессам относятся клейстсризация и гидро-
лизация крахмала в тесто-хлебе с образованием декстринов и маль-
мальтозы. Поверхностные слои тесто-хлеба, из которых образуется
корка, прогреваются быстро, и поэтому ферменты инактивируются.
Окрашивание корки хлеба указывает на то, что некоторые составные
части тесто-хлеба подверглись химическим превращениям. Эти
процессы протекают при температуре до 100 °С.
К микробиологическим относятся процессы усиления жизне-
жизнедеятельности дрожжевых клеток и кислотообразующих бактерий,
начинающиеся при прогревании тесто-хлеба до 35—40 °С и прекра-
прекращающиеся при 60 °С.
Максимум набухаемостн клейковины имеет место при темпера-
температуре 28—30 °С, а при СО—70 °С белковые вещества тесто-хлеба дена-
денатурируются и свертываются, освобождая при этом воду, поглощен-
поглощенную при набухании. При повышении температуры до 50—60 °С
крахмал муки интенсивно набухает и начинается клейстеризация
крахмала и разрушение внутренней мицеллярной структуры. При
температуре 50—70 °С протекают процессы клейстеризации крахмала
и коагуляция белков, которые обусловливают переход тесто-хлеба
в состояние мякиша. Повышение температуры до 60—70 °С при-
приводит к резкому изменению консистенции — сгущению теста. Мякиш
хлеба выдерживают в печи до температуры 92—98 °С в центре для
придания ему необходимой упругости [24, 25].
Скорость и характер протекания процесса выпечки, а также ка-
качество получаемого целевого продукта находятся в зависимости
от внепечных технологических операций и печных термотехнологи-
термотехнологических, теплотехнических и механических процессов. К внепечным
технологическим операциям, которые обусловливают свойства ку-
кусков теста, подлежащих выпечке, относятся замес теста, разрыхле-
разрыхление его, деление на куски и формовка, расстойка кусков теста.
Факторами, влияющими на процессы выпечки, являются также
параметры печной среды — температура и влажность. Температура
печной среды зависит от типа печи, вида выпекаемого хлеба (вид,
материал, масса), зоны и находится в пределах 210—298 °С. Степень
относительной влажности печной среды зависит от стадии выпечки.
На первой стадии процесса влажность колеблется от 32 до 72%,
тогда как на второй стадии она составляет 19—43%. Степень увлаж-
увлажнения среды на первой стадии процесса должна быть больше, потому
что интенсивность конденсации пара на поверхности тестовой за-
заготовки выше. При этом имеет место поглощение влаги из печной
среды рабочей камеры за счет конденсации пара на поверхности
с последующей ее сорбцией в поверхностных слоях выпекаемого
теста. Чем выше влажность среды, тем меньше потери в массе (упек).
Необходимая влажность печной среды обеспечивается подачей пара
или воды в количествах 70—150 кг/т продукта. Состав газовой среды
меняется в зависимости от конструкции печи, вида и массы выпека-
выпекаемого хлеба, температуры. Например, при выпечке городской булки
массой 0,8 кг газовая среда имеет следующий состав: воздух —
64,8%, пары воды —35%, пары спирта — 0,2% [24].
50

Выпечку хлеба и хлебобулочных изделий осуществляют в шаро-
шаровых, канальных, шлюзокамерных, карусельных, конвейерных, ро-
торно-люлечных и других печах.
Теплотехнические процессы
Теплотехнические процессы, осуществляемые в рабочих камерах
печей, энергетически обеспечивают протекание термотехнологиче-
термотехнологических процессов. Они представляют собой совокупность процессов
тепловыделения, теплообмена и отвода теплоты, приводящих исход-
исходные материалы к физическим, химическим превращениям или осу-
осуществлению биохимических, микробиологических и коллоидных
процессов.
Назначение теплотехнических процессов — создание оптимальных
температурных режимов в рабочей камере печи, заключающееся
в обеспечении программы изменения температуры элементов печной
системы во времени и в пространстве для осуществления термотехно-
термотехнологических процессов за счет теплового воздействия.
Системная теория печей рассматривает осуществление тепло-
теплотехнических процессов в следующих аспектах: 1) потребление те-
теплоты; 2) теплогенерацня; 3) тепловое воздействие на исходные
материалы и полученные продукты; 4) теплообмен в печах.
Потребление теплоты
Теплота в печах потребляется для: 1) нагрева печной среды,
футеровки и различных устройств в печи, а также исходных мате-
материалов до температуры начала термотехнологических процессов
и для целенаправленного охлаждения полученных продуктов с за-
заданной скоростью; 2) осуществления термотехнологических процес-
процессов, протекающих с потреблением теплоты; 3) компенсации разницы
количества теплоты, между выделяющейся и потребляемой, при осу-
осуществлении экзотермических реакций и физических превращений
печных процессов; 4) компенсации потерь теплоты с выгружаемыми
из печи готовыми продуктами, отводимой печной средой, через
футеровку, охладителями печи и ее элементов, открытыми окнами
и т. д.
Теплогенерация
Теплогенерация в печах — это процесс получения теплоты из
различных источников с целью последующего использования ее для
осуществления термотехнологических процессов. Для правильной
организации термотехнологических процессов и их экономики важ-
важным является выбор источника теплогенерации и место теплогене-
рации.
Энергетической характеристикой всех печей является уста-
установленная мощность, т. е. максимальное количество энергии, кото-
которая может быть введена или получена в них.
Источники теплогенерации. Теплота и обеспечение необходимой
температуры в печах являются основными факторами, позволяющими
51

получать целевые продукты из исходных материалов и обезврежи-
обезвреживать отходы, загрязняющие окружающую среду.
В печах могут использоваться следующие виды источников те-
теплоты: энергия экзотермических реакций, электротермические, ге-
лиотермические, термоядерный (в будущем) и смешанные.
Экзотермический источник — химические реак-
реакции (горения, нейтрализации, большинство реакций синтеза хими-
химических соединений из простых веществ и др.) и физические превра-
превращения (растворение, конденсация, кристаллизация и др.), сопро-
сопровождающиеся выделением теплоты. Количество выделяющейся при
этом теплоты зависит от массы реагентов, их природы, агрегатного
состояния исходных материалов и полученных продуктов, типа
реакции, глубины превращения и условий их осуществления.
Экзотермические химические реакции в печах осуществляются
между исходными материалами и специально вводимыми в процесс
горючими материалами (топливом) и окислителем. Топливо, сжига-
сжигаемое в печах, может быть газовым, жидким и твердым, а окисли-
окислитель — практически всегда в газовой фазе (воздух, кислород).
Теплота экзотермических реакций исходных материалов может
быть достаточной, меньше или больше, чем необходимо для осуще-
осуществления термотехнологических процессов и компенсации тепловых
потерь. Недостаток теплоты, выделяющейся при химических реак-
реакциях и физических превращениях, восполняется теплотой, получа-
получаемой в результате сжигания дополнительно вводимого в процесс
топлива с окислителем. Избыток теплоты экзотермического источ-
источника отводится из термореактора и используется как вторичный
энергоресурс.
На экзотермическом источнике теплоты работают все пламенные
печи и многие печи на смешанном источнике теплоты. Экзотермиче-
Экзотермический источник теплоты является неотъемлемой частью ряда термо-
термотехнологических процессов.
Электротермический источник — теплота, полу-
полученная в результате преобразования электрической энергии. По
способу преобразования электрической энергии в теплоту электро-
электротермические источники подразделяются на следующие виды: джо-
улева теплота; теплота дугового электрического разряда; теплота
превращения кинетической энергии ускоренных электронов при
резком торможении; индукционный и диэлектрический нагрев;
смешанный нагрев.
Джоулева теплота выделяется при протекании электрического
тока или непосредственно через исходный материал, т. е. осуще-
осуществляется его прямой нагрев, или в специальных нагревателях. При
этом выделяющаяся теплота передается исходным материалом при
помощи теплообмена.
Количество выделяющейся джоулевой теплоты определяется по
формуле:
QB = /а/?т
где <?в — количество выделившейся теплоты, Дж; / — сила тока, протекающего
по проводнику, A; R — активное сопротивление проводника, Ом; х — время, ч.
52

На джоулевой теплоте работают все печи сопротивления.
Электрической дугой называют конечную устойчивую форму
газового разряда между двумя электродами через разделяющий их
газовый промежуток.
Мощность теплового потока, отводимого при установившемся
дуговом разряде с единицы длины, определяется по формуле:
N = EI
где N — мощность теплового потока, отводимого с единицы длины, Вт; Е — напря-
напряженность электрического поля, В/см.
На электротермическом источнике теплоты работают печи дуго-
дуговые прямого и косвенного действия, дуговые сопротивления,
электронно-лучевые, плазменные, оптические, сопротивления,
индукционные и др.
Гел иотермический источник — теплота, полу-
полученная от прямого излучения солнца. Распределение энергии
в фокальной плоскости зеркала описывается формулой:
где Ег — плотность излуч.ения на расстоянии г от фокуса; £Макс— максимальная
плотность излучения в центре фокального изображения; с — коэффициент, харак-
характеризующий точность зеркала.
Для параболоидного зеркала [26]:
£макс = 8,36- 103£0ЯзЛмаксй2; с = 3,283-103 {hipJ (I + cos иJ
Здесь £0 — плотность прямой солнечной радиации, падающей на площадку
перпендикулярную солнечным лучам; R3 — интегральный коэффициент отражения
зеркала; р — фокальный параметр параболы; и — угловое раскрытие зеркала;
^макс— геометрическая функция, характеризующая параболоид; h — мера точ-
точности зеркала.
Функция Лмакс может быть выражена формулой:
= -J- I B — cos и) cos -| 1
Температура для центра фокального изображения равна
= 1/ГЛ8Ешакс!(Е)о0)
где As — коэффициент поглощения тела по отношению к солнечному спектру с уче-
учетом селективных качеств зеркала; £ — коэффициент черноты собственного излуче-
излучения тела; о0 — постоянная Стефана—Больцмана.
Место теплогенерации. Теплогенерация в печах может осуще-
осуществляться в рабочей камере или вне ее. Место теплогенерации для
экзотермических печей, работающих на различных видах топлива,
определяется, исходя из следующих факторов: 1) совместимости
осуществления одновременно и в одном объеме целевых химических
реакций между исходными материалами и реакцией горения топлива
без нарушения термотехнологических, теплотехнических и механи-
механических процессов; 2) допустимости в рабочей камере футеровки
высоких температур, сопровождающих горение топлива без нару-
нарушения режимов осуществления термотехнологических процессов;
53

3) рациональности или конструктивной целесообразности тепло-
генерации вне рабочей камеры печи при совместимости химических
реакций.
При теплогенерации вне рабочей камеры футеровки печи выпол-
выполняются канальными, муфельными, ретортными, тигельными с встро-
встроенными или отдельностоящими топками для сжигания топлива
и получения теплоносителя заданных параметров.
В электротермических печах теплогенерация осуществляется
в основном в рабочей камере, но она может быть вне ее, исходя
из конструктивных и технологических соображений.
Тепловые воздействия на исходные материалы
и полученные продукты
Тепловые воздействия на исходные материалы в печах являются
одним из основных технологических приемов, ведущих к получению
заданных целевых продуктов и обезвреживанию отходов.
В печах за счет организации процессов целенаправленного тепло-
теплообмена, саморазогрева горючих исходных материалов и внутри-
материального разогрева за счет джоулевой теплоты осуществляются
два вида теплового воздействия на исходные материалы и полученные
продукты: нагревание и охлаждение.
Нагревание в печах исходных материалов осуществляется для
следующих целей: 1) повышения их температуры до температуры
начала термотехнологических процессов с заданной или максимально
возможной скоростью; 2) выдержки их при заданной температуре
до завершения термотехнологических процессов и превращений;
3) снижения их температуры с заданной замедленной скоростью
по условиям технологического режима.
Охлаждение в печах исходных материалов и полученных про-
продуктов осуществляется отводом теплоты для снижения их темпера-
температуры до требуемой с заданной или максимально возможной ско-
скоростью.
Охлаждение нагретых исходных материалов и полученных про-
продуктов в печах осуществляется для: 1) осуществления определенного
этапа термотехнологического процесса (обжиг фарфора, абразивов,
студка стекла и т. д.); 2) осуществления конечных физических
превращений (конденсации, кристаллизации, превращения твердой
фазы, изменения кристаллической структуры материала при термо-
термообработке, промежуточного удаления влаги из материалов перед
последующим обжигом окатышей и т. д.); 3) обеспечения нормаль-
нормального протекания технологических процессов в других аппаратах
(охлаждение сернистого газа, фосфорного ангидрида в производстве
кислот и т. д.); 4) обеспечения возможности транспортирования
полученных продуктов после печи и безопасности обслуживающего
персонала.
При охлаждении обожженных исходных материалов также проис-
происходят различные процессы, например кристаллизация или превра-
превращения твердой фазы. Поэтому режим охлаждения оказывает большое
54

влияние на конечные свойства продуктов. Например, в случае
стекловидной связки абразивного изделия существует зависимость
прочности при растяжении от скорости охлаждения изделия после
обжига; наблюдается зависимость между электрическими свойствами
деталей и скоростью их охлаждения. Это объясняется размером и
весом выпадающих из расплава кристаллов, а также превращением
кристаллов и остаточной деформацией.
В качестве охладителя применяются следующие вещества: воздух,
инертные и рециркуляционные газы, вода, пар и др.; при необхо-
необходимости медленного снижения температуры охлаждение материалов
и продуктов осуществляется вместе с печью.
Оба вида теплового воздействия на исходные материалы и получа-
получаемые продукты являются составными частями термотехнологических
процессов, проводимых в печах. Эти воздействия осуществляются
последовательно, параллельно или накладываются одно на другое.
Теплообмен в печах
Теплообмен в рабочей камере печей является одним из основных
процессов, осуществляемых в них, и представляет собой целенапра-
целенаправленный процесс переноса теплоты в химико-термической печной
системе «материал—среда—футеровка», обусловленный специально
создаваемым и возникающим при протекании термотехнологических
процессов полем температур между элементами системы для изме-
изменения их внутренней энергии. За счет теплообмена обеспечиваются
химические и физические превращения исходных материалов,
а также протекание микробиологических и коллоидных процессов.
Процессы теплообмена в печах протекают в сложных условиях
и характеризуются рядом специфических особенностей. Одна из
основных особенностей — высокая интенсивность теплопередачи.
Например, плотность тепловых потоков, проходящих через зеркало
ванн при плавке ниобия, достигает 4000—5500 кВт/м2.
Другой особенностью тепловых процессов является нестаци-
нестационарное температурное поле в рабочей камере печи.
Печь — это термическая система «материал—среда—футеровка».
В рабочей камере печи во время ее функционирования одновременно
находятся исходные материалы, полученные продукты, печная среда,
которые заключены в огнеупорные (кислотоупорные) материалы
футеровки и ограждены ими от окружающей среды. Все эти мате-
материалы имеют различные и постоянно меняющиеся температуры,
в связи с чем они находятся в постоянном теплообмене в замкнутой
термической (теплообменной) системе «материал—среда—футеровка»,
в которой все эти элементы взаимосвязаны, взаимозависимы и вза-
взаимообусловлены. Теплота в этой термической системе, как и всякая
энергия, передается в направлении от элемента с высшим потен-
потенциалом (источник теплоты) к элементу с низшим (приемник теплоты).
Так как потенциалом переноса теплоты является температура, то
процесс распространения теплоты непосредственно связан с темпе-
температурным полем — совокупностью мгновенных значений температур
в пространстве и во времени.
55

Теплообмен в рабочей камере печи осуществляется тремя ви-
видами — теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением,
любым их сочетанием или всеми видами одновременно, однако один
вид теплообмена всегда преобладает над другими во всем объеме
или в определенной зоне печи.
Теплопроводность — передача теплоты от одной части какого-либо
тела к другой, обусловленная разностью температур, без заметного
перемещения частиц. С физической точки зрения, это передача кине-
кинетической энергии одних молекул другим. Например, теплопровод-
теплопроводностью передается теплота материалу через муфели в сульфатсоля-
ных, вращающихся и ретортных печах и отнимается теплота из
реакторов печей синтеза хлорида натрия. Из-за теплопроводности
футеровки печи теряется часть теплоты из реактора или рабочей
камеры.
Общее количество теплоты Q, проходящее через однослойную
стенку при стационарном режиме, определяется по уравнению
Ньютона:
где Я — коэффициент теплопроводности; б — толщина стенки; tlf t2 — температуры
внутренней и наружной стенки; F — площадь поверхности теплопередачи; т —
время.
Для многослойной стенки эта формула имеет следующий вид:
Q (tU)F
y/j Xl
Для цилиндрической многослойной стенки используют выра-
выражение:
Q== 2,73 С^ — t2)Lx
1 i D2 _|_ 1 1 D3 I 1 1 ^4 ,
"л '§ ~Т) Г "т *§ ~~г\ Г "о ' § ~г) Г • • •
где L — длина цилиндра, м; D1? D2, D3, D4 — диаметры окружностей, ограничива-
ограничивающих отдельный слой (начиная от центра).
Для проведения технических расчетов теплопроводности при
нагреве и охлаждении тел при нестационарном режиме необходимо
задаться следующими краевыми и упрощающими условиями: 1) тем-
температурное поле одномерно, т. е. t = f (xy r); 2) геометрические
формы тела элементарно просты и представлены бесконечной пла-
пластиной, бесконечной длины цилиндром, шаром, нагреваемыми сим-
симметрично; 3) физические свойства тела (с, р, X, а) не зависят от тем-
температуры; 4) все точки тела в начале нагрева (охлаждения) имеют
одинаковые температуры; 5) газовая или жидкая среда, в которой
тела нагреваются или охлаждаются, имеют во всех точках одинако-
одинаковую и постоянную во времени температуру tx\ 6) значение коэффи-
коэффициента теплоотдачи а между средой и телом постоянно во времени;
7) тела нагреваются или охлаждаются одновременно со всех сторон
(двухсторонний нагрев).
56

При этих условиях можно решить следующие задачи по нагреву
и охлаждению тел: 1) определить значения температуры на поверх-
поверхности и в середине пластины и цилиндра после их нагрева (охлажде-
(охлаждения) за время т; 2) определить значения времени т, необходимого
для нагрева (охлаждения) пластины или цилиндра до требуемой
температуры; 3) определить количество теплоты, переданное телу
за время нагрева т.
Общее дифференциальное уравнение теплопроводности Фурье —
Кирхгофа имеет следующий вид:
Dx cp \ дх* ' ду* ^ a-
где = a — коэффициент температуропроводности; ( -r-^—f- -^-g—|—-^-y- ) =
= V2^ — оператор Лапласа для переменной t.
При указанных выше условиях решение дифференциального
уравнения теплопроводности дает:
= /i(Bi. Fo), __ = /2(Bi, Fo);
/ /ПОВ ix \-"' - "/' ,
г нач • г 'нач
-§Н£Р-=/з(В1, Fo)
чнач
В этих формулах: tr — постоянная температура среды, окружающей тело;
^нач' ^кон — конечная и начальная температуры поверхности нагреваемого (охла-
(охлаждаемого) тела; tf£g , № — конечная и начальная температуры середины тела;
/ КОН Т КОН
j^-£-, безразмерные температуры на поверхности и в середине
г нач г нач
тела (температурные критерии); (?пер — количество теплоты, переданное телу
за время нагрева (охлаждения); <?нач — количество теплоты, содержащееся в теле
в начале нагрева; за начальную температуру тела условно принимается разность
температур окружающей среды и действительной начальной температуры тела,
т. е. tr — ^ача> Bi — критерий Био, характеризующий отношение внутреннего
теплового сопротивления тела к внешнему; Fo — критерий Фурье; /^(Bi.Fo),
f2 (Bi, Fo), /3 (Bi, Fo) — функции критериев Bi и Fo (определяются при помощи гра-
графиков, приводимых в справочниках по теплопередаче).
Конвективный теплообмен между газом или жидкостью и твер-
твердым телом происходит в результате их соприкосновения. Тепло-
Теплопередача при этом происходит переносом теплоты движущимися
материальными частицами газа или жидкости, прилегающими к те-
плообменной поверхности.
Количество теплоты, переданное конвекцией при стационарном
режиме, может быть определено по формуле:
Q - <*к (h - « ^
где Q — количество теплоты, переданное теплоносителем; ак — коэффициент тепло-
теплоотдачи конвекцией; t± — температура теплоносителя; t2 — температура теплоприем-
ника; F — площадь поверхности теплообмена; т — время теплообмена.
Коэффициент теплоотдачи ак зависит от формы теплоприемника,
размеров поверхности нагрева или теплоотдачи, температуры тепло-
57

носителя и теплоприемника, скоростей движения теплоносителя,
коэффициента теплопроводности газа, жидкости, теплоемкости те-
теплоносителя, вязкости газов и т. д.
На теплообмен конвекцией существенное влияние оказывает
гидродинамический режим движения теплоносителя и обрабатыва-
обрабатываемого материала. Режимы движения обрабатываемого материала
бывают следующие: 1) плотный, когда движение твердых мелко-
мелкокусковых материалов в слое является результатом перегребания
и пересыпания (это основной процесс для многоподовых печей с вра-
вращающимся барабаном, сульфатсоляных и глетных печей); 2) плот-
плотный — фильтрующийся — основной процесс для известково-
обжигательных, фосфоритообжигательных шахтных печей; 3) ки-
кипящий (псевдоожиженный, взвешенный) слой; 4) газовзвесь
(псевдогазовый).
Теплообмен излучением. Излучение происходит при квантовом
переходе атомов и молекул из стационарных состояний с большей
энергией в стационарные состояния с меньшей энергией. Для непре-
непрерывного излучения тело должно получать энергию извне. Так как
переходы атомов и молекул из одного состояния в другое носят
различный характер, излучение имеет различные длины волн.
Тепловое излучение является одним из видов электромагнитных
колебаний с длиной волн от 0,4 до 40 мкм.
Теплоотдача излучением в промышленных печах играет домини-
доминирующую роль.
Мощность излучения N, проходящего через какую-либо поверх-
поверхность, называется лучистым потоком, а мощность, излучаемая эле-
элементом поверхности в полупространстве, — полусферическим лучи-
лучистым потоком.
Мощность излучения, отнесенная к единице площади поверхности
излучателя, называется плотностью излучения (в Вт/м2):
Е = dNldF
Спектральную плотность излучения, отнесенную к рассматрива-
рассматриваемому интервалу длин волн, называют полусферической интенсив-
интенсивностью излучения; она показывает, насколько велика мощность
излучения (в Вт/м3) при данной длине волны:
В = dEK/dl
Если на тело падает мощный поток Bпад, то в общем случае часть
его Quo™ поглощается, часть Q0Tp отражается и часть Qnp пропу-
пропускается скеозь тело:
чпад == Упогл ~г чотр 4~ Qnp
Если это уравнение разделить на QIIaA, получим:
+. =1 или а + г + d = 1
члад чнад
Безразмерные параметры а, г и d называются, соответственно,
поглощательной, отражательной и пропускательной способностью.
58

Если а = 1 (следовательно, г = d = 0), то весь падающий поток
полностью поглощается телом. Такое тело называется абсолютно
черным. Когда г = 1 (следовательно, а = d = 0), весь падающий
поток полностью отражается телом. Если каждый луч рассеивается,
т. е. отражается по всем направлениям, то такое отражение назы-
называется диффузным, а тело — абсолютно белым. Если d = 1 (следо-
(следовательно, g = г = 0), то тело называется абсолютно прозрачным
или диатермичным.
Отношение плотности излучения данного тела к плотности излу-
излучения абсолютно черного тела той же температуры называется
степенью черноты: е = Е/Ео.
Основные законы, раскрывающие теплопередачу радиацией, сле-
следующие.
1. Закон Кирхгофа — устанавливает, что отношение излучатель-
ной способности Е к поглощательнои а для всех серых тел одинаково
и равно излучательной способности абсолютно черного тела Ео
при той же температуре и зависит только от температуры. Матема-
Математическое выражение закона Кирхгофа представляется уравнением:
Е/г = Ео или El а = Ео = / (Т)
2. Закон Планка — устанавливает для абсолютно черного тела
изменение интенсивности или плотности теплового излучения по
длинам волн и выражается следующим уравнением:
где Е^т — интенсивность, или плотность, монохроматического излучения абсолютно
черного тела для длины волны X и температуры Г, Вт/(м2-мкм); Я — длина волны
излучения, мкм; Т — температура тела, К; с1 — постоянная, равная 3,745 X
X 10~16 Вт/м2; с2 — постоянная, равная 1,44-10~2 м.
3. Закон Вина (закон смещения) — устанавливает, что произ-
произведение длины волны максимального излучения А,макс на темпера-
температуру Т — величина постоянная:
^максТ1 = 2884 мкм
4. Закон Стефана — Больцмана (закон четвертых степеней) —
устанавливает, что энергия полного теплового излучения Е про-
пропорциональна четвертой степени температуры Т. Для технических
расчетов уравнение имеет следующий вид:
Е = с (Г/100)*
Здесь с—коэффициент лучеиспускания тела, Вт/(м2-К4).
5. Закон Ламберта (закон косинусов) — устанавливает, что
количество энергии dQ^, излучаемое элементом поверхности dFx
в направлении dF2, пропорционально количеству энергии, излуча-
излучаемой по нормали ЕПУ умноженному на величину пространственного
угла du и cos ф, т. е.
dQy = En du cos ф dF
59

6. Закон Кеплера (закон квадратов расстояний) — устанавли-
устанавливает, что облучательная способность точечного источника излучения
обратно пропорциональна квадрату расстояний между источником
и облучаемым телом.
В общем виде количество энергии dQ, падающей на облучаемую
площадку dF от точечного источника, будет равно:
W
где W — количество энергии, излучаемой источником равномерно во все стороны;
г — расстояние от источника до площадки dF\ ф — угол между направлением г
и нормалью к облучаемой площадке.
При увеличении размеров источника излучения закон Кеплера
теряет свою силу.
Общая формула теплообмена излучением между двумя непро-
непрозрачными телами, записанная на основании закона Стефана —
Больцмана, имеет вид:
Q = епс0фобл [GV100L - (Г2/100L] Fpac4T
Здесь Q — количество теплоты, переданное излучением от первого тела ко вто-
второму; еп — приведенная степень черноты системы, учитывающая степень черноты
обоих тел и их взаимное расположение; с0 — коэффициент лучеиспускания абсо-
абсолютно черного тела; фОбЛ — средний угловой коэффициент, или коэффициент облу-
облученности, учитывающий форму, размеры и взаимное расположение поверхностей;
7i, Т2 — температуры первого и второго тела, К; ^расч — условная расчетная пло-
площадь поверхности теплообмена; т — время теплообмена.
Процессы теплообмена в печах находятся в непосредственной
зависимости от следующих факторов: 1) вида осуществляемого термо-
термотехнологического процесса; 2) теплового и температурного ре-
режима; 3) источника и места теплогенерации; 4) характеристики
печной среды; 5) конструктивного типа печи.
Современный промышленный опыт получения многих видов
продуктов в печах определил для каждого из них режимы, необхо-
необходимую печную среду, один или несколько конструктивных типов,
источники и место теплогенерации. Например, варка стекла осуще-
осуществляется в газопламенных ванных печах, стали — в электрических
дуговых ванных печах и газопламенных мартеновских печах, обжиг
кускового материала — в газопламенных шахтных или вращатель-
вращательных печах и т. д.
Полученные данные экспериментальных и промышленных иссле-
исследований о процессах теплообмена в рабочей камере различных печей
позволили описать их качественно и количественно для многих
конкретных печных комплексов с учетом приведенных выше влия-
влияющих факторов.
В термической системе «материал—среда—футеровка» про-
процессы теплообмена всегда протекают в двух направлениях: внешнем
и внутреннем.
Под внешним теплообменом понимаются взаимосвязанные и вза-
взаимозависимые тепловые процессы между элементами термической
системы» изменяющие температуру на их наружной поверхности.
60

Под внутренним теплообменом понимаются тепловые процессы, веду-
ведущие к изменению температуры внутри элементов термической си-
системы, в результате воздействия внешнего теплообмена на их наруж-
наружную поверхность или внутреннего разогрева. Процессы теплообмена
в муфельных, ретортных, тигельных, канальных печах необходимо
рассматривать как процессы, протекающие в рабочей камере, име-
имеющей внутренний экран.
Источниками теплоты в термической системе являются исходные
материалы, пламя, раскаленная печная среда, полученные продукты,
электрическая дуга, электронагреватели, внутренняя поверхность
футеровки рабочей камеры и т. д. Приемниками теплоты являются
исходные материалы, электроды, их держатели, внутренняя поверх-
поверхность футеровки рабочей камеры, печная среда, вагонетки, решетки,
подины и т. д. Источником или приемником теплоты в печах может
быть любой элемент термической системы, а в многозонных печах
(туннельные, шахтные, вращающиеся и др.) один и тот же элемент
при переходе из одной зоны в другую изменяет свои термические
функции: источник теплоты становится приемником или наоборот,
а также меняется вид теплообмена (или доля), в котором участвует
элемент системы (например, газовая печная среда из теплообмена
излучением в зоне нагрева переходит на конвективный теплообмен
в зоне подогрева и т. д.).
С помощью элементов печной системы «материал—среда—футе-
«материал—среда—футеровка» возможно создание следующих оптимальных условий тепло-
теплообмена: сжигание горючих исходных материалов и топлива с опти-
оптимальным количеством пламен необходимой формы, местоположения
и с желаемой траекторией движения; правильной организации
движения исходных материалов, полученных продуктов; правильный
выбор (при возможности) химического состава и характера движе-
движения печной среды; выбор более совершенных геометрических форм
рабочей камеры печи, правильный выбор ее материала.
Теплообмен в рабочей камере футеровки дуговых электропечей
осуществляется между всеми элементами термической системы «ма-
«материал—среда—футеровка». Теплота передается по всем перечислен-
перечисленным выше механизмам теплообмена. Тепловым излучением пере-
передается теплота от главного источника — столба горящей дуги,
который представляет собой ионизированный газ печной среды,
а также расплав шлака, т. е. жидкой фазы среды. В конвективном
теплообмене участвует и газовая печная среда, образовавшаяся
в зоне горения дуг и состоящая из паров металла, и твердая фаза
(шлак, графит), и жидкая среда.
Теплопроводностью теплота передается от наиболее нагретых
участков исходных материалов в зоне пятна дуги, а также за счет
джоулевой теплоты, возникающей при протекании тока через шлак
и металлы. В теплообмене участвует также и электрод.
Под сводовым пространством тепловое излучение горящих дуг
падает на поверхность шлака, металла и футеровки. Часть падающей
лучистой энергии поглощается поверхностью реакционного объема
футеровки, остальная отражается обратно под сводовое пространство*
61

Отраженная энергия снова поглощается и переотражается ограничи-
ограничивающими поверхностями и т. д. Поверхности шлака и металла
излучают собственную энергию, которая поглощается и переотра-
переотражается этими поверхностями.
Тепловое излучение электрической дуги.
Свободно горящие дуги в реакционных объемах электрических
печей являются самыми интенсивными и высокотемпературными
источниками излучения теплоты. Интенсивность теплового излуче-
излучения электрической дуги достигает 9000 Вт/м2 [27]. Излучение элек-
электрической дуги близко к излучению абсолютно черного тела.
Температура столба дуги может быть определена по уравнению:
Г с = 800 Ut
где Тс — температура столба дуги, К; Ui — потенциал ионизации газов, в котором
горит дуга, В.
При плавке сталей на свойства столба дуги влияют материалы
испаряющихся электродов и состав газовой печной среды (СО2, СО,
N2, Ar, H2). Наименьшие потенциалы ионизации некоторых элемен-
элементов характеризуются следующими величинами (в В): углерод —
11,22; железо — 7,83; кальций — 6,10; водород — 15,40; фтор —
16,9; азот — 15,8; кислород — 12,5; диоксид углерода — 14,1; оксид
углерода — 14,1; аргон — 15,7 [27].
Теоретически возможная температура дуги оценивается в 3000—
20 000 К.
Электрическая дуга может рассматриваться как точечный источ-
источник излучения, потому что ее объем по сравнению с реакционным
объемом печи несоизмеримо мал.
Интенсивность облучения поверхности стен, свода и ванны
может быть определена по формуле [27]:
РдСОЗф
g Лэ 4яг2
Здесь g—интенсивность облучения, кВт/м2; /Сэ — поправочный коэффициент,
учитывающий экранизацию дуги; Рд — мощность дуги, кВт; ф — угол между
направлениями радиуса г и нормалью к облучаемой площадке,.град; г — расстоя-
расстояние от центра дуги до центра площадки, м.
При определении облучения поверхностей необходимо учиты-
учитывать, что торец электрода на стены и свод энергию не излучает,
однако он излучает ее на поверхность ванны (в мощной дуге это
составляет 10—15% мощности, остальная часть — 85—90% — излу-
излучается во всех направлениях).
Интенсивность облучения поверхности ванны от торца электрода
определяется по формуле:
gl =
+ /i2J
где h — расстояние между торцом электрода и ванной, м; х — расстояние до облу-
облучаемой площадки (по горизонтали от центра электрода), м.
62

Интенсивность облучения Ёанны g2:
где h2 — половина расстояния между торцом электрода и поверхностью ванны, м*
Теплообмен в рабочем объеме футеровки электрических печей
сопротивления непрямого нагрева осуществляется излучением ак-
активной поверхности нагревательных элементов, поверхностью футе-
футеровки и исходных материалов и конвекцией печной среды.
Коэффициент теплоотдачи излучением находят по формуле:
5,77еп@,01ГнL-@,01Гм)*
Здесь ап — коэффициент теплоотдачи излучением от электронагревателей,
Вт/(м2-К); еп—приведенная степень черноты системы; Тн — температура поверх-
поверхности электронагревателей, К; Тм — средняя температура нагреваемого мате-
материала, К.
Значение еп определяется по формуле теплообмена между двумя
поверхностями, из которых одна окружает другую. В зависимости
от того, что больше — тепловоспринимающая поверхность или
активная поверхность электронагревателей, имеем:
1 1
8п = И р Г"! Г или 8п = "I г"
ен
где ен — степень черноты электронагревателей; ем — степень черноты исходных
материалов; Fn — активная поверхность электронагревателей; FM — поверхность
исходного материала.
Теплообмен в рабочей камере пламенных
экзотермических печей. Источником теплоты в этих
печах является пламя, продукты горения. Пламя, футеровка и на-
нагреваемые исходные материалы обмениваются излучением. Роль
конвекции при высоких температурах обычно невелика. Лучистый
поток от пламени, падающий на поверхность футеровки и нагрева-
нагреваемый исходный материал, частично поглощается и частично отра-
отражается. Отраженный поток теплоты ^суммируется с собственным
излучением исходного материала и поверхности футеровки. Вслед-
Вследствие частичной прозрачности, характеризуемой степенью черноты,
пламя поглощает часть падающего на него потока, а часть пропу-
пропускает. Таким образом, нагреваемый исходный материал приобретает
теплоту за счет суммарной теплоотдачи от раскаленных газов и
футеровки. Если нагреваемый исходный материал частично про-
прозрачен для излучения, то в лучистом теплообмене участвуют глубин-
глубинные слои материала и футеровки ванны печи. В теплообмене уча-
участвуют слои газов, находящиеся между пламенем, футеровкой
и исходными материалами.
Расчеты теплообмена в пламенном пространстве печи позволяют
установить зависимость количества теплоты, передаваемого исход-
исходным материалом, от различных факторов, таких как размеры отдель-
63

ных частей пламенного пространства, ориентировка и свойства
пламени, его размеры.
Под термином пламя в системной теории печей подразумевается
распространяющаяся в пространстве горящая система.
Пламя является главным источником теплоты в процессах тепло-
теплообмена в рабочей камере многих пламенных экзотермических печей.
Для оптимального осуществления термотехнологических процессов
и организации теплообмена в печах необходимо управление процес-
процессом формирования пламени. Используя закономерности пламенного
сжигания горючих материалов и различные технические приемы,
представляется возможным получение пламен желаемого внешнего
вида (т. е. формы или объемных структур), химического состава,
температуры и излучательной способности.
Существенное значение для организации теплообмена в рабочей
камере печи имеет внешняя форма пламени.
Внешняя форма пламени является свободной или деформирован-
деформированной. Свободной можно считать форму пламени, если его распростра-
распространение в пространстве осуществляется без ограничений, а деформи-
деформированной — если его распространение в пространстве целенаправ-
целенаправленно или вынуждено ограничивается либо изменяется.
Пламена имеют следующие внешние формы: конусные, плоские,
закрученные, подковообразные, длинные, короткие и т. д.
На формирование пламен оказывают влияние следующие фак-
факторы: химический состав горючего и окислителя; начальные и физи-
физические состояния реагентов; вид сжигания; внешние силы, воздей-
воздействующие на пламена; методы стабилизации пламен; элементы печной
системы; технические приемы и т. д.
Химический состав горючего и окислителя влияют на скорость
горения, т. е. на длину пламени и диаметр.
Начальными физическими состояниями реагентов, поступающих
на горение, являются фазовое состояние (твердое, жидкое, газовое),
давление, температура, точка кипения и испарения. Давление,
с которым подается горючее (горючая смесь), влияет на толщину
фронта пламени, которая определяет диаметр вершины конуса
пламени. Температура горючего (горючей смеси) оказывает влияние
на величину угла раскрытия пламени; с увеличением температуры
он уменьшается из-за уменьшения плотности поступающих газов.
Виды сжигания горючих материалов: однородный, с предвари-
предварительно перемешанной горючей смесью, с коротким пламенем или
с раздельной подачей горючего материала и окислителя для диффу-
диффузионного горения с длинным пламенем.
Характер потока пламени может быть ламинарным или турбу-
турбулентным. Если течение ламинарное внутри и вне фронта пламени,
то устанавливается узкая реакционная зона, определяемая хими-
химической реакцией и процессом ламинарного переноса. При турбулент-
турбулентном течении пламени зона реакции утолщается и кажущаяся скорость
распространения пламени увеличивается.
Влияние на форму пламени внешних сил заключается во взаимо-
взаимодействии пламени с электрическим, магнитным и гравитационным
64

полями. Оно проявляется, в Основном, в возникновении аэродинами-
аэродинамических сил, которые могут воздействовать на форму пламен.
Метод стабилизации горения — это конструктивная форма рас*
пылителя (сопла) или стабилизирующих устройств (решетки, сетки
и т. д.), которые существенно влияют на форму пламени, создавая
структуру с формой перевернутых конусов, колец или «плоских»
пламен.
Форма получающегося пламени существенно зависит от видов
воздействующих на них элементов печной системы, а также их вза-
взаимного расположения в рабочей камере печи. Возможные варианты
взаимного расположения пламен и элементов печной системы следу-
следующие: 1) пламя, соприкасающееся только с печной средой; 2) пламя,
соприкасающееся только с футеровкой; 3) пламя, соприкасающееся
с печной средой и футеровкой; 4) пламя, соприкасающееся с печной
средой и исходными материалами; 5) пламя, соприкасающееся с печ-
печной средой, исходными материалами и футеровкой.
К техническим приемам, которые позволяют влиять на форму
пламени, относятся: 1) места расположения и форма каналов, от-
отводящих продукты горения; 2) устройство выступов, стенок, пере-
перегородок, решеток и т. д. на внутренних поверхностях в рабочей или
топочной камерах футеровки. На рис. 3 и 4 приведены схематично
варианты некоторых технических приемов, используемых в печной
практике. Для пламен обычно характерны большие температуры
и резкие температурные градиенты. Профиль температуры одномер-
одномерного пламени, являющийся функцией расстояния, обеспечивает его
однозначную характеристику. Однако распределение температуры
пламени зависит в первую очередь от состояния поступающего
холодного окислителя и только во вторую — от геометрии, общей
а § в г
У/'х
У/,
У//////////
У//////////
У/.
Ул
V/////////.
Рис. 3. Формы пламени и места отвода газов из рабочей камеры в печах:
а — вращающихся; б—г — стекловаренных; д, е — нагревательных камерных; ж — тун-
туннельных; з — методических.
3 Исламов М. Ш. 65

1
721
22
777,
У/////////////,
Рис. 4. Формы пламени и места отвода газов из рабочей камеры в печах:
а — канальных; б — муфельных вращающихся; в, г — циклонных нагревательных; д —
камерных нагревательных; е — рециркуляционных нагревательных; ж — с кипящим слоем;
з — камерных с выкатным подом.
скорости потока и др. В связи с последовательностью стадий реакций
структура углеводородного пламени может быть разделена на три
области: 1) область предварительного нагрева, в которой темпера-
температура поднимается резко, но реакции не происходят; 2) область
реакции окисления углеводорода; 3) область реакции окисления СО
и рекомбинации радикалов.
Пламена по излучательной способности могут быть подразделены
на несветящиеся и светящиеся. Несветящиеся пламена дают инфра-
инфракрасное излучение за счет СО2 и Н2О, имеющее полосатый спектр
(селективное излучение). Светящееся пламя содержит в качестве
важнейшего источника излучения мельчайшие частицы пыли и сажи,
образующиеся в процессе разложения метана.
Степень черноты пламени епл характеризуется в общем виде
выражением [28]
епл = А — £
где k — коэффициент поглощения; р — парциальное давление газа, Па; s — длина
пути луча (эффективная толщина слоя), м.
Степень черноты несветящегося пламени зависит от эффективной
толщины слоя, состава газовой среды, которая в основном содержит
СО2 и Н2О, и температуры. Степень черноты светящегося пламени
зависит также от содержания в пламени частичек сажи и пыли и их
размера. Степень черноты слоя горения, содержащего СО2 и Н2О,
в пламенном пространстве обычно не превышает 0,2—0,25.
Увеличение степени черноты достигается в результате разложе-
разложения углеводородов, содержащихся в горючем материале (естествен-
(естественная карбюрация), или путем добавки углеводородов (например,
жидкого топлива) со стороны (искусственная карбюрация).
66

В целях более полного использования теплоты газового тепло-
теплоносителя, а также для снижения его температуры до заданной в ра-
рабочей камере печей применяется рециркуляция теплоносителя.
Рециркуляция представляет собой полное или частичное возвраще-
возвращение использованного теплоносителя в активную зону рабочей камеры
за счет конструктивных устройств и аэродинамических приемов.
Механические процессы
Механические процессы в печах — это перемещение элементов
печной системы в рабочей камере и возникающие при этом механи-
механические взаимодействия между элементами и внутри их. Перемещение
элементов является формой их существования, и поэтому печная
система динамична. Главной функцией, которую выполняют механи-
механические процессы в печной системе, является создание в рабочей
камере печи оптимальных условий для осуществления термотехноло-
термотехнологических и теплотехнических процессов.
В печной системе механические процессы не имеют самостоятель-
самостоятельного значения. Их осуществление должно всегда рассматриваться
только совместно со всеми элементами печной системы, как находя-
находящихся между собой во взаимных связях и зависимостях.
Процессы перемещения элементов печной системы в рабочей
камере печи в газовой и жидкой фазах описываются законами гидро-
гидромеханики, и поэтому они называются гидромеханическими про-
процессами. Процессы перемещения в твердой фазе — выполнение
технологических функций, транспортирование исходных материалов
и полученных продуктов — называются механотехнологическими.
Механические процессы в рабочих камерах печей создаются
с помощью различных устройств, конструктивных и аэродинами-
аэродинамических приемов или возникают как неизбежное явление, сопрово-
сопровождающее протекание печных процессов.
Специально создаваемое перемещение элементов печной системы
бывает поступательным и колебательным. Благодаря поступатель-
поступательному перемещению обеспечивается транспортирование исходных
материалов в рабочую камеру через температурные зоны и вывод
из нее полученных продуктов, транспортирование печной среды
в рабочей камере для создания необходимого профиля температур
и химических условий, а также вывод компонентов печной среды
из печи.
Поступательное перемещение элементов печной системы имеет
следующие ^формы: прямолинейное и криволинейное.
Криволинейное перемещение бывает: 1) круговым — вращатель-
вращательное движение перпендикулярно оси вращения; 2) циклонным —
вращательное движение по спирали вдоль оси вращения;
3) вихревым — хаотическое движение и т. д.
Колебательное перемещение наблюдается при создании псевдо-
ожиженного состояния исходных материалов в печах с кипящим
слоем, при электромагнитном перемешивании ванны с расплавом
и др.
3* 67

Перемещения элементов печной системы, возникающие при про-
протекании термотехнологических процессов, следующие: 1) движение
исходных материалов под действием сил тяжести; 2) движение
исходных материалов в ванных печах из-за изменения их удельного
веса; 3) движение выделяющихся газов из исходных материалов или
расплавов; 4) изменение толщины гарнисажной футеровки; 5) рас-
распространение пламени в пространстве рабочей и топочной камер
печи при горении горючих материалов и т. д.
Механические взаимоотношения между элементами вызы-
вызываются внешними и внутренними взаимодействиями. К внешним
относятся взаимодействия между элементами печной системы, такие
как истирание кускового и гранулированного сырья футеровкой,
вымывание футеровки раскаленными газами и расплавами, рас-
растрескивание и разрушение футеровки из-за ударов перемешива-
перемешивающегося кускового сырья, а также истирание им. К внутренним
взаимодействиям относятся деформация футеровки при вращении,
местные расплавления, раздавливание кусковых и гранулирован-
гранулированных исходных материалов под действием собственного веса и т. д,
Механическое состояние печной системы находится в зависимости
от формы, направления, характера и скорости движущегося эле-
элемента.
Непременным требованием при проектировании печной системы
является возможность управления механическими процессами в части
перемещения ее элементов в рабочей камере печи и сведение до
минимума нежелательных сопутствующих механических воздействий
между элементами и внутри них.
Благодаря перемещению исходных материалов, полученных про-
продуктов и печной среды создаются условия для управления произ-
производительностью большинства типов печей.
Механика газовой среды. Газовая среда в рабочих камерах во
всех работающих печах находится в постоянном движении, которое
имеет важное значение для протекания термотехнологических и
теплотехнических процессов. С газовой средой перемещаются ре-
реагенты в реакционную зону и отводятся полученные продукты
химических реакций; движение газовой среды перемешивает эти
реагенты, позволяет управлять процессами сжигания горючих мате-
материалов и т. д. Газовая среда в большинстве типов печей является
теплоносителем, и при ее движении создается требуемый профиль
температур в рабочей камере печи, обеспечивается передача теплоты
исходным материалам. Движение газовой среды дает возможность
охлаждать получаемые продукты.
Движение газовой среды позволяет разуплотнять сыпучие мате-
материалы, находящиеся в£печи, до псевдоожиженного (взвешенного)
состояния.
В зависимости от причин, вызывающих движение газовой среды,
оно подразделяется на естественное и принудительное.
Естественное движение газовой среды возникает в самой среде
без внешнего возбудителя по двум причинам': 1) вследствие возник-
возникновения разности гидростатических давлений газовой среды из-за
68

наличия различных температур в объеме печи (например, в тигель-
тигельных, муфельных, горшковых печах и т. п.); 2) вследствие возник-
возникновения давления, создаваемого выделяющимися газами при про-
протекании химических превращений твердофазных исходных мате-
материалов (например, реакционные газы, выделяющиеся при возгонке
желтого фосфора в руднотермических электропечах, создают давле-
давление под крышкой ванны печи до 500 Па; при обжиге антрацита
в ретортных печах выделяющиеся газы создают давление в верхней
части реторты 10 Па, а в нижней части — 20—30 Па).
Принудительное движение газовой среды возникает вследствие
влияния на эту среду внешних сил. К внешним силам относятся:
I) кинетическая энергия: а) движущейся струи топливно-воздуш-
ной смеси, вводимой в печь через сжигательные устройства; б) рас-
распространяющегося в пространстве печной среды пламени при горении
исходных горючих материалов; в) движущихся газов внешней ре-
рециркуляции; г) движущихся газов, вводимых в печь для охлаждения
получаемых продуктов; д) движущихся газов, вводимых в рабочую
камеру печи для создания вращательного движения газовой среды
(циклонного эффекта); е) движущихся газов, разуплотняющих сы-
сыпучие материалы, и.т. д.; 2) разрежение в печи, создаваемое вытяжной
трубой, дымососами или вентиляторами.
Действительный характер и траектория движения газов в рабочей
камере печи определяется совокупностью действия как естественных,
так и внешних сил, вызывающих принудительное движение, причем
доля влияния каждого из этих факторов различна в каждом отдель-
отдельном случае.
В современных печах характер движения газовой среды практи-
практически всегда турбулентный.
Основные уравнения, описывающие динамику движения газовой
среды и позволяющие выполнять необходимые гидравлические рас-
расчеты печей, приведены ниже.
Уравнение сплошности (неразрывности) потока выводится на
основе закона сохранения массы. Для несжимаемого газа при
постоянной плотности уравнение имеет вид:
dwx dwy dwz n
H7и
дх ^ ду ^ дг
где wx, wy, wz — проекции скорости на координатные оси, м/с; х, у, z — текущие
координаты, м.
Уравнение Бернулли выводится на основе закона сохранения
энергии и применяется для определения геометрии и размеров
объема рабочей камеры печи, размеров газоходов, боровов, вытяж-
вытяжной трубы и выбора тягодутьевого оборудования. Применительно
к движению несжимаемых газов уравнение. Бернулли имеет вид:
69

Здесь Р — плотность, кг/м3; w — скорость, м/с; g — ускорение свободного
падения, м/с2; z — расстояние от произвольно принятого уровня отсчета, м; Р —
давление, Па; t, — коэффициент сопротивления.
Уравнение Эйлера описывает количество движения, возника-
возникающее из-за возмущающего действия, вносимого в рабочую ка-
камеру печи струями форсунок, горелок, сопл, охлаждающих и
закручивающих потоков газа. Оно имеет вид:
B w2m2 — 2 Wym^x = 2 рх
где w — скорость, м/с; т — секундный массовый расход газа, кг/с; Рх— коли-
количество движения.
Уравнения движения Навье — Стокса рассматривают локаль»
ные и конвективные ускорения элементарной массы газа и имеют
следующий вид:
dwx , dwx \ п дР
dwv
дР
Здесь >р — плотность, кг/м3; o/x, wy, wz — проекции скорости на координатные:
оси, м/с; Ртх, Рщуу Pmz — проекции массовой силы на координатные оси, Н; \х —
коэффициент динамической вязкости, Па-с; V2 — оператор Лапласа, м~2.
Аэродинамика топочной камеры печей. В топочной камере печей
имеются только турбулентные режимы течения газов, поэтому их
аэродинамическую работу необходимо рассматривать, исходя из
основных закономерностей турбулентных струй.
Турбулентные струи в топочных камерах печей получаются при
сжигании топлива и образовании газовоздушной смеси теплоноси-
теплоносителя.
Свободные затопленные газовые струи.
Струя является свободной и затопленной, если она не ограничена
твердыми стенками и распространяется в пространстве, заполненном
средой с теми же физическими свойствами, что и вещество струи.
Структура свободной затопленной струи показана на рис. 5.
На выходе из сопла радиусом Ro струя имеет равномерную ско-
скорость w0. Соприкасаясь с неподвижной средой, наружные частицы
струи отдают ей часть энергии и замедляют свое движение. Таким
образом, снаружи струи образуется пограничный слой, состоящий
из подторможенных частиц основной струи и частиц среды, вовле-/
ченных в движение.
По мере удаления от сопла происходит расширение наружного
слоя и сужение ядра постоянной скорости. На расстоянии s0 от
среза сопла (или х от полюса струи) ядро постоянной скорости исче-
исчезает. Это сечение называется переходным. Участок струи до пере-
переходного сечения называется начальным, а участок струи на всем
70

Начальный участок струи
ОсноОнйц участок струи
Рис. 5. Структура свободной затопленной струи.
дальнейшем протяжении — основным. Наружные границы струи,
где w = 0, прямолинейны и сходятся в точке на оси струи, назы-
называемой полюсом струи. Угол а, образованный наружными грани-
границами струи, называется углом расширения струи.
Давление в струе, как показывают опыты, неизменно и равно
давлению в окружающем пространстве. Благодаря этому развитие
струи происходит при условии постоянства полного количества дви-
движения секундной массы воздуха для всех сечений струи.
Согласно теории свободной струи, разработанной Г. Н. Абрамо-
Абрамовичем, при условии постоянства количества движения, развитие
свободных струй характеризуется следующими соотношениями.
1. Круглая струя. Скорость на оси основного участка опреде-
определяется выражением:
wm _ 0,96 _ 0,96
~щ"~ ax/R0 ~~ (as/R0) + 0,29
Здесь wm — скорость на оси струи в рассматриваемом сечении; w0 — скорость
в выходном сечении сопла; ху s — расстояние рассматриваемого сечения соответ-
соответственно от полюса струи и от среза сопла; а — экспериментальная константа (коэф-
(коэффициент структуры струи), определяющая угол раскрытия струи (для круглой
струи обычно а = 0,07, при этом а = 27°); х = s -f- Ло, где h0 = 0,29R0/a.
Радиус наружной границы струи: /?гр = 3,4ах.
2. Плоско-параллельная струя. Скорость на оси основного уча-
участка wm определяется из условия:
где Ьо — полуширина выходного сечения сопла.
Глубина полюса: h0 — 0,4160/а.
Для плоско-параллельной струи а = 0,10—0,11; lg a/2 = 2,4;
а = 27—28°.
Неизотермические струи. При распространении го-
горячих струй в холодной среде или холодных струй в горячей среде
кроме изменения скоростей происходит еще изменение температуры
71

струи, поэтому, в отличие от рассмотренных выше струй, они на*
зываются неизотермическими.
В основу теории неизотермических струй положено условие по-
постоянства количества движения для всех сечений струи и условие
постоянства избыточного теплосодержания. Последнее означает,
что теория неизотермических струй разработана при условии отсут-
отсутствия теплообмена излучением струи с окружающей средой. Гра-
Границы горячей струи прямолинейны, не зависят от температуры
струи и совпадают с границами холодной струи, т. е. для неизотер-
неизотермических круглых струй сохраняется зависимость #гр = 3,4ал:
и а = 0,07.
При этом изменения скорости и температуры на оси струи опре-
определяются выражениями: 1) для скорости
1+0,535F-1)^1
2) для температуры
ах 0,70 ЛГо l/ 1 . л 7К /ft пАГо
где в = Т0/Тн\ А Го = То — Тн; АТт = Тт — Тн; То — начальная температура
струи; Тн — температура окружающей среды; Т1П — температура на оси струи
в рассматриваемом сечении.
Горящие струи. Данные различных исследований аэро-
аэродинамики горящих струй показывают, что их структура отличается
от структуры холодных и неизотермических струй, поэтому формулы
для холодных и неизотермических струй применимы лишь для
приближенного расчета пламени.
Достаточно правомерное применение теории свободных струй
к горящему пламени возможно в том случае, когда горение в струе
протекает настолько быстро, что заканчивается вблизи сопла в не-
некотором сечении /—/. Для этого случая, исходя из условий, что
давление в струе равно давлению в окружающей среде и скорость
в этом сечении (/—/) будет равна скорости в выходном сечении
йУ/_/ = w0, Г. Н. Абрамович предлагает течение струи за сече-
сечением /—/ рассматривать как развитие неизотермической струи,
истекающей из фиктивного сопла радиусом /?7_7 = Ro j/~TI_I/T0.
При этом расчет скоростей и температур на оси струи ведется по
формулам, приведенным ранее, в которые вместо Ro подставляется
размер фиктивного сопла /?/_/.
Искривление неизотермических и го-
горящих струй. При истечении струи в среду с температурой,
отличной от температуры самой струи, возникают гравитационные
силы. В результате горячие струи отклоняются вверх, а холодные
вниз.
Согласно исследованиям Д. Н. Ляховского и С. Н. Сыркина,
степень искривления струи определяется значением критерия Архи-
Архимеда Ат = g (АГО/ТН) (D/w2) и выражается зависимостью
g'D0 = f (x/DOt Ar)
72

где g—ордината, равная отклонению оси пламени от горизонтальной оси сопла
в данном сечении; х — расстояние от среза сопла до рассматриваемого сечения пла*
мени; Do — диаметр сопла; w — скорость истечения газа из сопла.
Зависимость искривления пламени от его относительной длины
приведена на рис. 6.
Образование вихрей. Наличие вихрей в камере
горения характеризует несовершенство аэродинамической работы
топки, уменьшение проточной части сечения, возникновение застой-
застойных непроизводительных зон и некоторое увеличение сопротивления
системы. Причиной возникновения столь существенных недостатков
является аэродинамическое несовершенство конструкции топки,
вызываемое чаще всего стремлением к ее простоте и неудачными
вводами воздуха.
Воздух в топку подается в двух или в трех ее участках: первдч-
ный воздух — в сжигательное устройство для распыления жидкого
топлива или получения газовоздушной горючей смеси; вторичный
воздух — в камеру горения для окисления распыленного жидкого
топлива или для создания внутреннего воздушного охлаждения
пристенного слоя футеровки и частичного снижения температуры
дымовых газов; третичный воздух (рециркуляционный теплоноси-
теплоноситель) — в камеру смешения для снижения температуры потока про-
продуктов горения до заданного уровня и одновременного выравни-
выравнивания в объеме. В некоторых конструкциях топок с мазутным топ-
топливом в форсунку подается весь воздух. В этом случае воздух,
поступающий в камеру смешения, принято называть вторичным.
Зоны топочного объема, где протекает активный процесс, а также
характер движения газовоздушных потоков по топочным камерам
зависят, прежде всего, от профиля этих камер и способа ввода в них
воздуха.
Вихревое движение наблюдается в тех топках, где втекающая
струя или движущийся основной поток отрывается от стенки вслед-
вследствие аэродинамической необтекаемой конфигурации камер горения
или смешения. Вихри возникают в результате наличия местных зон
с повышенным или пониженным давлением, захватывая застойные
пространства, незанятые основной проточной частью газовоздушного
Рис. 6
2 4 б 8 10 12 14 W 16 20
x/D0
. Зависимость искривления горящей струи от ее относительной длины.
73

потока. Они практически неуправляемы, не имеют целевых функций
и вызывают вредные последствия.
На образование вихрей и обратных потоков влияет угол раскры-
раскрытия. При обычной начальной турбулентности втекающего потока
угол раскрытия, характеризующий расширение струи, составляет
15—22°. Для улучшения аэродинамической работы топки расши-
расширяющиеся элементы камеры горения должны иметь угол раскрытия
в этих пределах. Принятие большего угла раскрытия ведет к обра-
образованию вихрей и обратных потоков.
Расширяемые струи склонны увеличивать степень неравномер-
неравномерности поступательных скоростей. Струя раздается не только за счет
противодействия среды, в которую она втекает. При турбулентном
втекании увеличение граничных слоев среды возрастает за счет
беспорядочного (пульсационного) поперечного перемещения вихре-
вихревых масс, ускоряя обмен энергиями и раздавая струю тем шире, чем
больше начальная турбулентность струи.
Сужающийся профиль камеры выравнивает поля скоростей
потока.
Применяемое в топках струйное дутье служит для местного уси-
усиления скорости смесеобразования, т. е. для ускорения процесса го-
горения и выравнивания температуры по объему получаемого тепло-
теплоносителя.
Струйный метод наиболее эффективно применяется в топочном
объеме, где в виде струй вводится не только вторичный воздух (соб-
(собственно камера горения), но и третичный (камера смешения), необ-
необходимый для снижения температуры потока продуктов горения.
В этих случаях особое значение для обеспечения равномерной тем-
температуры теплоносителя имеют углы внедрения.
Глубина внедрения струи в основной
«сносящий» поток. Получение теплоносителя с одина-
одинаковой заданной по объему температурой обеспечивается только
тогда, когда воздух или рециркуляционные газы, подаваемые через
сопла, пронизывают до центра основной «сносящий» поток продук-
продуктов горения в камеру смешения.
Глубина внедрения струи в основной поток зависит главным
образом от отношения количества движения струи к количеству
движения относящего ее основного потока. Эта зависимость может
быть выражена уравнением:
Здесь М — масса, w — скорость, р — плотность; индекс 1 относится к основ-
основному потоку, индекс 2 — к потоку струи.
Дальнобойность струи вторичного воздуха, втекающего в основ-
основной поток топочных газов, может быть ориентировочно описана
полуэмпирической формулой, полученной А. Н. Ляховским и
С.Н. Сыркиным из опытов по аэродинамике «сносимых» струй при
неизотермическом втекании:
74

Где 1стр — ориентировочна^ Дальнобойность струи, м; к — эмпиричеркий коэффи-
коэффициент, равный при горизонтальном расположении струи 1,5 для круглых сопл,
1,8 для прямоугольных сопл, 1,85 для сопл любой формы при отклонении оси струи
от горизонтали на 30—45°; 1\ — температура основного потока, К; Т2 — темпера-
температура струи*, К; dB — эквивалентный диаметр, м.
Глава 4
ПЕЧНАЯ СРЕДА
Печная среда — это совокупность химических веществ (в газо-
газовой, жидкой, твердой фазах), окружающих исходные материалы
и получаемые продукты в рабочей камере печей и невступающих
с ними в химические взаимодействия.
По фазовому и химическому составу печные среды подразде-
подразделяются на гомофазные с одним или более химическими веществами,
находящимися в одной фазе (например, N2, CO2, NH3, CH4, РН3,
Н2О, Аг, Не и т. д.), и гетерофазные с двумя или более химическими
веществами, находящимися в разных фазах (например, в сталепла-
сталеплавильной печи среда состоит из различных химических веществ в га-
газовой, жидкой и твердой фазах).
Печную среду составляют продукты горения топлива, отходы
физических и химических превращений исходных материалов, она
может быть искусственно создана путем ввода в рабочую камеру печи
соответствующих композиций веществ, обеспечивающих защиту
исходных материалов и получаемых целевых продуктов от нежела-
нежелательных химических процессов.
Специально вводимые в рабочую камеру печи или создаваемые
в ней химически активные вещества, которые вступают в целевые
химические реакции с исходными материалами или с получаемыми
продуктами, необходимо рассматривать как реагенты химических
реакций наряду с другими исходными материалами
Печная среда находится в контакте с футеровкой рабочей ка-
камеры печи и влияет на ее стойкость. Она непосредственно участвует
в процессах теплообмена. Печная среда является элементом печной
системы, поэтому все термотехнологические, теплотехнические и
механические процессы, протекающие в рабочей камере печи, необ-
необходимо рассматривать совместно с функциями, которые эта среда
выполняет.
Газовая фаза печной среды
Газовая фаза печной среды (в дальнейшем — газовая среда)
представляет собой высокотемпературную смесь химических веществ
в газообразном состоянии, окружающих исходные материалы, по-
получаемые продукты и поверхность рабочей камеры футеровки печи.
Она является энергетической^базой многих термотехнологических
процессов, протекающих в печах. Газовая среда доставляет ре-
реагенты в реакционную зону и отводит полученные продукты. Она
75

формируемся из продуктов полного и неполного горения топлива,
отходов, целевых продуктов химических реакций, возгонов, паров
воды, металла и т. д. или создается специально как защитная среда
от нежелательных реакций исходных материалов и получаемых це-
целевых продуктов. Газовая среда оказывает самое существенное влия-
влияние на весь ход печного процесса, она приводит к повышенной
загрязненности полученных металлов неметаллическими включе-
включениями и к газонасыщенности, разрушающе действует на футеровку
печи. Вместе с тем, химический состав и физические свойства газо-
газовой среды зависят от них.
Состояние газовой среды, выполняемые ею функции и поведение
находятся в непосредственной зависимости от ее химического со-
состава, температуры и давления. В зависимости от давления печную
среду можно подразделить на плотную и разреженную (вакуум).
Плотная газовая среда. При плотной газовой среде давление
в рабочей камере печи близко к атмосферному или выше его.
Плотная газовая среда бывает неконтролируемого или контроли-
контролируемого химического состава.
Неконтролируемая газовая среда формируется из продуктов
окисления топлива, оставшихся после окисления компонентов
воздуха (азот, водяные пары и др.), а также газов, выделяющихся
или образующихся при протекании термотехнологических процес-
процессов.
В печах с неконтролируемой плотной газовой средой осуществ-
осуществляются процессы обжига, нагрева (для пластической деформации
материалов), некоторые виды термической обработки материалов,
плавления и т. д.
Газовая печная среда, образующаяся при горении природного
газа в рабочей камере печи, имеет высокое парциальное давление
водяных паров. Химический ее состав, температура и давление за-
зависят от режима сжигания. При неконтролируемой среде возможно
протекание ряда сопутствующих физических и химических процес-
процессов, которые отрицательно влияют на качество получаемых продук-
продуктов. Например, при выплавке алюминия и его сплавов происходит
насыщение расплава газами, которое ведет к образованию газовых
раковин, резко выраженной пористости, появлению неметалличе-
неметаллических включений, являющихся концентраторами напряжения, сни-
снижающими прочность и предел усталости, к снижению пластических
свойств металла, к образованию дефектов типа окисных плен, име
ющих большую твердость и нулевую пластичность, К появлению
пузырей при окончательной термообработке готовых изделий, что
ухудшает механические свойства при закалке и старении сплавов.
Любая газовая среда, получаемая за счет сжигания топлива
в рабочей камере, представляет собой неравномерную по химиче-
химическому составу систем. Пламя или продукты горения в отдельных
струйках могут содержать кислород, а в соседних с ними — водород
или углеводороды. Эта среда под влиянием различных причин (из-
(изменение температуры, подсос воздуха и т. п.) непрерывно изме-
изменяется по своему составу в результате протекания реакций горения
76

и окисления, диссоциаций, взаимодействия отдельных компонентов
газовой смеси между собой, а также диффузии газов и выравнивания
концентрации в объеме рабочей камеры печи.
Контролируемые газовые среды — это искусственные среды с за-
заданными и контролируемыми химическими составами; эти среды
специально создаются и вводятся в рабочие камеры печей или полу-
получаются в них в результате целенаправленных химических реакций.
Контролируемые газовые среды, получаемые сжиганием углеводо-
углеводородного горючего газа, подразделяются на эндотермические и экзо-
экзотермические.
Эндотермическая газовая среда получается по сложным реакциям
в результате частичного сжигания метана с коэффициентом расхода
воздуха а » 0,25. Суммарную реакцию можно представить в виде:
СН4 + V2 (О2 + 3.8N) = СО + 2Н2 + 1,9N2
Реакция протекает при повышении температуры до 1350 °С и
применении катализаторов.
Экзотермическая газовая среда получается при неполном или
почти полном сгорании природного газа (метана) или сжиженных
пропанбутановых смесей. Реакции получения экзотермической газо-
газовой среды протекают с выделением теплоты. Коэффициент расхода
воздуха для экзотермической среды а = 0,5-^-0,95. При горении
с а = 0,5-f-0,6 получается богатая экзотермическая газовая среда,
а при а = 0,9^-0,95 — бедная. Горение газа в обоих случаях про-
протекает по реакции
СН4 + О2—>СО + Н2 + Н2О
СН4+2О2—>СО2+2Н2О
При проведении термотехнологических процессов с газовой сре-
средой различают два вида режимов: с неизменным химическим составом
газовой среды или с переменным. Такие процессы, как восстановле-
восстановление чистого вольфрама и молибдена из их ангидридов и глубокое
рафинирование алюминиевых сплавов с удалением магния, пары
которого и осадок являются пирофорными, осуществляются только
в водородной газовой среде.
Однократный обжиг высоковольтного фарфора в туннельной печи
с непрерывным режимом термотехнологического процесса осуществ-
осуществляется последовательным изменением химического состава газовой
среды по длине печи в следующем порядке: окислительная, сильно-
сильноокислительная, восстановительная, слабовосстановительная и воз-
воздушная.
Обжиг фарфоровой посуды в печах с периодическим режимом
термотехнологического процесса осуществляется также последова-
последовательным изменением химического состава газовой фазы, но уже по
времени проведения процесса в таких же газовых средах. Восста-
Восстановительная газовая среда в этих печах создается введением воды
в нее через газоводяные форсунки.
При плавке вакуумной меди требуемая чистота ее достигается
дегазацией водородом. Некоторые виды термической обработки
77

металлов проводятся в газовой среде, содержащей оксид углерода,
аммиак, метан и др.
Электрошлаковый переплав стали осуществляется в активной
аргоноводородной газовой среде. Термическая обработка вольфрама
и молибдена проводится только в защитной газовой водородной среде.
Выпечка хлеба и хлебобулочных изделий в пекарных печах осуще-
осуществляется в увлажненной воздушной среде.
Термотехнологические процессы с химически активными исход-
исходными материалами для исключения их окисления осуществляются
в специальной контролируемой инертной газовой среде или в ва-
вакууме. Роль защитной газовой среды в основном выполняют ней-
нейтральные газы (аргон, гелий, азот или их смеси). Применяемые в тех-
технике нейтральные газы содержат некоторое количество кислорода,
азота, водорода и других примесей. Так, даже наиболее чистый
аргон марки «А» содержит 0,01 % примесей, и поэтому наилучшую
защиту обеспечивает вакуум.
Разрежение газовой среды и вакуум в печи. Вакуум — состояние
газовой среды при давлении значительно ниже атмосферного. Ва-
Вакуум в печи достигается эвакуацией из ее реакционного объема
воздуха, а затем и выделяющихся при химических реакциях газов
или паров металла при физико-химических превращениях. Термо-
Термотехнологические процессы в печи осуществляются при давлении
[•Ю-4 Па и ниже. Количество оставшихся молекул зависит от ве-
величины давления и может снижаться до 1010 в 1 см3.
Вакуум в печи создается специально как способ для осуществле-
осуществления некоторых термотехнологических процессов, которые невозможно
провести в плотной газовой среде, или как средство для защиты во
время их получения или термической обработки. В вакууме взаимо-
взаимодействие металла с внешней газовой средой замедляется и практи-
практически прекращается при достижении глубокого вакуума. Снижение
внешнего давления над металлом благоприятствует выделению из
расплава растворенных газов и устраняет возможность окисления
металлов. В особо благоприятных условиях становится возможным
восстановление металлов и оксидов. Например, в обычных условиях
при атмосферном давлении процесс восстановления оксида магния
углеродом не протекает, но становится возможным в вакууме. При
наличии восстановителя в разреженном пространстве оксид магния
становится непрочным соединением. Равновесие взаимодействия
углерода с оксидом магния смещается в сторону образования эле-
элементарного магния: MgO + С Вакуум -> Mg (г.) + СО (г.). Причи-
Причиной этого является высокое давление насыщенных паров магния,
вследствие чего в глубоком вакууме он находится в парообразном
состоянии и постоянно выводится из равновесного состояния отса-
отсасывающей системой, что способствует распаду MgO.
Рафинирование алюминиевых сплавов от вредных примесей
цинка, магния и других элементов, обладающих относительно вы-
высоким давлением насыщенного пара, осуществляется вакуум-дистил-
вакуум-дистилляцией. Скорость дистилляции зависит от скорости диффузии ме-
металла в поверхностный слой, от температуры и парциального давле-
78

ния летучего компонента у поверхности. Большое значение при
вакуумной отгонке имеет перемещение расплава, которое преду-
предупреждает снижение температуры на поверхности расплава, вызван-
вызванное потреблением теплоты при возгонке летучего компонента, и
потери теплоты путем лучеиспускания, а главное, не позволяет
поверхности испарения обедниться летучим компонентом. Большое
влияние на скорость дистилляции оказывает процесс миграции испа-
испарившихся атомов летучего компонента к охладителю и их% конденса-
конденсация. Давление насыщенного пара над поверхностью испарителя
выше, чем над поверхностью конденсатора. Эта разность давлений
и определяет движение паров.
Плавка в вакууме позволяет удалять из расплавленных металлов
и сплавов содержащиеся в них вредные примеси, такие как раство-
растворенные газы, некоторые легколетучие элементы и металлические
включения, которые ухудшают свойства сплавов. Они повышают
диффузионную подвижность атомов или ослабляют межзеренные
сцепления при выделении по границам зерен. Такие примеси повы-
повышают ползучесть сплава или разупрочняют его под нагрузкой. Пе-
Переплав металлов в вакууме значительно снижает количество вредных
примесей.
Плавка хромистой бронзы в вакууме позволяет не только освобо-
освободить металл от растворенных газов (водород, кислород, азот), но
и снизить содержание вредных легкоплавких примесей висмута,
свинца и сурьмы, оказывающих значительное влияние на снижение
жаропрочности*хромистой бронзы.
Плавка жаропрочных плёнообразующихся сплавов в открытых
печах нежелательна ввиду образования плен оксидов хрома, титана,
алюминия, нарушающих сплошность металла Ги понижающих ме-
механические свойства. Металл хорошего качества можно получить
плавкой в вакууме, т. е. в условиях, когда исключается возможность
образования окисных плен и восстановление имевшихся.
Хорошие результаты достигаются при плавке жаропрочных
сплавов на никельхромовой основе, легированных титаном и алюми-
алюминием, в вакууме при остаточном давлении 1 -Ю-3—1 -Ю-4 Па. В этих
условиях возможно восстановление углеродом таких оксидов как
А12О3, SiO2, TiO2, Cr2O3, которые без вакуума восстановить практи-
практически не удается.
При вакуумной плавке алюминиевых сплавов дегазация начи-
начинается с момента загрузки шихты и начала откачки из печи газа,
вследствие чего достигается более полная вакуумная обработка
шихты и расплава. В результате получают сплав с минимальным
содержанием газов и твердых неметаллических включений.
Термическую и термомеханическую обработку тантала из-за
большого сродства с газами (углерод, кислород, азот и водород)
проводят только в вакууме.
В вакууме отсутствует теплопередача между элементами системы
конвекцией и теплопроводностью.
79

Жидкая фаза печной среды
Жидкая фаза печной среды представляет собой расплав химиче-
химических веществ с заданным химическим составом или является шлако-
шлаковым расплавом.
В процессах плавки химически активных металлов над ними
создается специальный защитный покровный флюс, состав которого
должен быть химически инертным по отношению к металлу, хорошо
смачивать его поверхность и растекаться по ней. Перегретый жидкий
и электропроводный шлак используется при электрошлаковом пере-
переплаве металлов.
К термотехнологическим процессам, проводимым в печах с шла-
шлаковым расплавом над Материалом, относятся также все руднотерми-
ческие высокотемпературные химические процессы, протекающие
в жидкой фазе.
Шлаки являются побочным продуктомх химических реакций при
получении желтого фосфора, чугуна, стали и цветных металлов,
т. е. при термической переработке рудных материалов и концентра-
концентратов. Они бывают относительно стабильного химического состава (по-
(получение фосфора) или с изменяемым химическим составом, напри-
например, имеющим сначала окислительные, а затем восстановительные
свойства (получение различных марок сталей: 18ХНВА, 38ХМЮА
и т. д.).
Особенностью процессов, протекающих с образованием шлаковых
расплавов, являются химические реакции между шлаком и металлом,
где они направлены в сторону достижения равновесия. Поэтому
состав получаемого металла во многом определяется составом
шлака.
Образование шлаковых расплавов. Шлаковые расплавы обра-
образуются из компонентов шихты, окислов пустой породы руды, спе-
специально вводимых в процесс флюсов, футеровки печи, загрязнений
шихты (земля, песок), при проведении высокотемпературных термо-
термотехнологических процессов в печах и представляют собой сложный
состав оксидов.
Роль шлаков при проведении термотехнологических процессов.
В шлаковых расплавах при высокой температуре протекают важ-
важнейшие химические процессы. Термодинамика и кинетика термо-
термотехнологических процессов в ряде случаев непосредственно зависят
от физико-химических свойств шлака.
Свойствами шлакового расплава определяются производитель-
производительность печей, расход топлива, электроэнергии и себестоимость пере-
передела. Они выполняют роль защитной среды, предохраняющей по-
полученный материал от окисления.
Шлаки также являются регулятором направления процесса
в сторону окисления или восстановления. Они служат для создания
наиболее благоприятных условий для рафинирования металла от
вредных примесей. Шлаки должны адсорбировать всплывающие
оксиды примесей из расплавленного металла в ванне, создавать
условия, обеспечивающие минимальные потери металла и других
80

ценных компонентов из расплава, обладать вязкостью, обеспечива-
обеспечивающей свободное выделение газов при кипении в ванне.
Шлаковые расплавы в электрических руднотермических печах
выполняют' функции электросопротивления.
Необходимо стремиться к тому, чтобы выход шлаков при плавке
был минимальным, так как увеличение выхода шлака влечет за собой
повышение энергетических затрат, потерь металлов со шлаком,
расхода флюсови и экслуатационных расходов.
Как правило, соотношение между оксидами в исходных мате-
материалах не позволяет получать шлаковые расплавы, обладающие
требуемыми свойствами (необходимой температурой плавления,
вязкостью и т. д.). Поэтому к исходным материалам добавляют
флюсы — оксиды или карбонаты некоторых металлов. Расчет шихты
осуществляют на заранее выбранный состав шлака, удовлетворя-
удовлетворяющий требованиям технологии по температуре плавления, жидко-
текучести, электропроводности, поверхностному натяжению и т. д.
Количество вводимых флюсов для его образования должно быть
минимальным.
Химический состав шлаковых расплавов. Основными составляю-
составляющими шлаковых расплавов являются SiO2, CaO, MgO, A12O3, МпО,
Fe3O4, Р2О5, S, Cr2O3, V2O5, BaO, ZnO, FeO, CuO, PbO и т. д.
От химического состава шлакового расплава зависят его физи-
физические свойства — вязкость, плавкость, теплосодержание, тепло-
теплопроводность, электропроводность, поверхностное натяжение. Эти
свойства шлакового расплава влияют: на интенсивность размывания
огнеупорной футеровки печи и растворения ее в шлаке; интен-
интенсивность теплопередачи от пламени к ванне печи, от которой зависит
скорость нагрева ванны и производительность печи; на скорость
поступления в ванну кислорода, а следовательно, и на скорость
окисления примесей. В зависимости от этих свойств шлак может
быть лучшим или худшим защитным покровом, предохраняющим
от поглощения жидкой ванной азота, водорода, серы из пламени
в реакционном пространстве печи.
Плавкость шлаков. Шлаки представляют собой сложный сплав,
состоящий из множества оксидов металлов, и поэтому плавление
происходит не мгновенно, а в интервале температур между началом
размягчения и полным разжижением шлака. Например, для кислых
шлаков с высоким содержанием кремнезема разность температур
составляет 200—250 °С, а для основных шлаков со сравнительно
низким содержанием кремнезема, но с преобладанием металлических
оксидов — оснований она не превышает 30—80 °С.
За температуру плавления обычно принимают ту, при которой
исчезает анизотропная фаза, а общая масса шлака становится в пол-
полной мере расплавленножидкой.
Вязкость шлакового расплава. Вязкость жидких шлаковых рас-
расплавов является их структурной характеристикой и зависит от
химического состава и температуры. Это свойство жидких силикат-
силикатных расплавов оказывает значительное влияние не только на вели-
величину потерь металла с отвальными шлаками, но и на кинетику
81

химических реакций в процессе плавления, а также на скорость
разделения продуктов плавки. Вязкость является наиболее важным
свойством шлаковых расплавов, от которого зависят многие тех-
технологические показатели процесса плавки: расход флюсов и топ-
топлива, скорость плавления и ликвации жидких продуктов плавки,
степень трудности слива отвальных шлаков и величина потерь
ценных элементов.
Влияние отдельных компонентов шлакового расплава различно.
Например, кремнезем и глинозем повышают вязкость шлаков,
а оксиды магния, кальция и калия уменьшают ее.
На величину вязкости шлакового расплава влияет температура
плавления (с повышением последней вязкость понижается).
Теплосодержание шлаков. Теплопотребление шихт, теплосодер-
теплосодержание шлаков и штейнов является непосредственным указателем
расхода топлива и имеет прямое отношение к тепловому балансу
термотехнологических процессов, протекающих в печах. Величина
теплосодержания находится в зависимости от химического состава
и температуры шлакового расплава. В расчетах величина тепло-
теплосодержания для каждого шлакового расплава принимается по экспе-
экспериментальным данным.
Плотность шлакового расплава. Знание величины плотности
шлакового расплава необходимо для расчета объема оборудования,
кинетики ликвационного разделения фаз и в ряде других случаев.
Плотность шлаков возрастает при введении добавок с большой удель-
удельной массой (Fe3O4, ZnO, BaO) и снижается при добавлении более
легких компонентов (CaO, MgO, SiO2 и др.). С повышением темпе-
температуры плотность шлаковых расплавов понижается.
Поверхностное натяжение шлакового расплава. Большинство
процессов протекает в гетерогенных системах, имеющих поверхность
раздела несмешивающихся фаз. Свойства поверхностей и взаимодей-
взаимодействие на их границе часто определяют многие технологические пока-
показатели процесса. В частности, от величины поверхностного натяже-
натяжения на границе штейн—шлак зависят размеры устойчивого заро-
зародыша и процесс коалесценции капель в расплавах, смачивание
шлаков, флюсов и огнеупоров, а вместе с этим и- кинетика взаимо-
взаимодействия шлаков с флюсом, пропитка и разрушение огнеупоров.
Поверхностные свойства в значительной степени влияют на скорость
большинства термотехнологических процессов, вспенивание шлако-
шлаковых расплавов и выделение газов и металлов.
В расплавах природа связи имеет два вида — молекулярную и
ионную. При молекулярной связи величина поверхностного натяже-
натяжения составляет 0,2—0,3 Н/м. Для ионных расплавов величина по-
поверхностного натяжения существенно выше — 1—2 Н/м; для ме-
металлургических шлаков эта величина равна 2—4 Н/м.
Существенное влияние на величину поверхностного натяжения
расплавов оказывает присутствие ПАВ в шлаках.
Катионы или анионы, имеющие слабую энергию связи со своими
соседями, вытесняются в поверхностный слой. В шлаках к таким
компонентам относятся катионы щелочных металлов, фосфора,
82

анионы серы, фтора и некоторых других BetHecfB.
Поверхностное натяжение шлакового расплава при Повышений
температуры возрастает. При достижении очень высоких температур,
когда все комплексные ионы распадутся на составляющие, поверх-
поверхностное натяжение шлака с ростом температуры будет снижаться,
т. е. подчиняться закономерностям нормальных жидкостей.
Электропроводность шлакового расплава имеет важное значение
для проведения термотехнологического процесса при электротермиче-
электротермической переработке руд и концентратов, а также электрошлаковом
переплаве металлов.
Основной константой, характеризующей электрические свойства
шлакового расплава, является электросопротивление, зависящее от
его химического состава и температуры.
Удельное электросопротивление р' на основании закона Ома
вычисляется по уравнению
Р' = Rs/l
где R — электросопротивление; s — площадь поперечного сечения электрода; / —
длина.
Удельная электропроводность а является величиной, обратной
удельному электросопротивлению: а = 1/р'.
Известно, что расплавленные шлаки представляют собой микро-
микронеоднородный раствор, состоящий из простых катионов и анионов
и комплексных кислородсодержащих анионов, устойчивость кото-
которых зависит от многих факторов, в том числе и от природы простых
катионов. Ионная структура жидких шлаков предопределяет их
преимущественно электролитическую проводимость, т. е. перенос
тока в шлаках при наложении электрического поля, и обусловли-
обусловливается в основном упорядоченным движением ионов.
На подвижность катионов существенное влияние оказывают
анионное окружение и температура расплава. Электропроводность
жидких шлаков с повышением температуры увеличивается. Шлаки
относятся к проводникам второго рода, в которых переносчиками
тока являются ионы/ Шлаки имеют положительный температурный
коэффициент проводимости и подчиняются законам Фарадея. ,
•Величина электропроводности зависит от состава шлака и
имеет сложный характер, что обусловлено энергетической неравно-
неравноценностью катионов и различной структурой комплексных анионов.
Удельная электропроводность шлаковых расплавов двойных и мно-
многокомпонентных систем, состоящих из SiO2, CaO, A12O3, MgO, сравни-
сравнительно невелика, но резко возрастает на основе FeO, MnO, TiO2,
Сг2О3, что связано с наличием в шлаках, наряду с ионной, элек-
электронной проводимости.
Твердая фаза печной среды
Твердая фаза печной среды представляет собой катализаторы,
золу сгоревшего твердого топлива, пыль и мелкие фракции исходных
материалов, футеровки, полученных продуктов (фосфорит, кокс,
83

антрацит, известь, магнезит, доломит и т. д.). Она получается за
счет истирания футеровки, исходных материалов, получаемых
продуктов, разрушения крупных фракций при термическом воздей-
воздействии на них, конденсации возгонов металлов и их оксидов, а также
за счет отходов производства (пыль колчеданного огарка при полу-
получении SO2 в печах КС) и т. д.
Твердая фаза печной среды перемещается внутри печи самостоя-
самостоятельно совместно с крупными фракциями исходных материалов и
получаемых продуктов" Она может быть также в виде взвешенных
частиц в газовой фазе печной среды, которые существенно ухуд-
ухудшают качество получаемого продукта, загрязняя его и увеличивая
выход шламов (желтый фосфор, серная кислота и т. д.), снижают
стойкость футеровки, ухудшают гидродинамику печного процесса.
В газовой среде подсводового пространства электропечей при
плавке сталей различных марок содержится плавильная пыль, кон-
концентрация которой изменяется в зависимости от марки выплавляе-
выплавляемой стали и периода плавки. Например, при плавке стали марки
ЗОХМЮА в период завалки сорокатонной электропечи концентрация
пыли составляет 0,79 г/м3, а в окислительный период — 46,15 г/м3;
при плавке стали марки 18ХНВА концентрация пыли в период
плавления составляет 31,0 г/м3, а в период продувки кислородом —
90,4 г/м3.
Отходящие из печи газы с твердыми частицами истирают футе-
футеровку, загрязняют окружающую среду, требуют дополнительного
оборудования для их очистки и ухудшают экономические показатели
производства.
Вместе с тем в газовой среде, содержащей твердые частицы, ин-
интенсивность излучения увеличивается до уровня светящихся газов
(степень черноты г для них 0,4—0,8, тогда как у несветящихся газов
она находится в пределах 0,1—0,4).
Г лава б
ФУТЕРОВКА ПЕЧЕЙ
Общие сведения
Футеровка печей — это конструкция из огнеупорных, кислото-
кислотоупорных, теплоизоляционных и облицовочных материалов и изде-
изделий, ограждающая рабочую камеру, в которой протекают печные
процессы, от взаимодействия с окружающей средой.
Футеровка предохраняет металлоконструкции печи, а также об-
обслуживающий ее персонал от воздействия высоких температур и
печной среды. Она обеспечивает необходимую газоплотность в рабо-
рабочей камере печей, т. е. полную герметизацию при работе под высоким
давлением или вакуумом, либо достаточную газоплотность при дав-
давлениях, близких к атмосферному.
84

Футеровка — один из основных конструктивных элементов печей,
который дает возможность осуществления высокотемпературных
термотехнологических и теплотехнических процессов в печной среде
при наличии* механических нагрузок с сохранением в течение дли-
длительного времени геометрической формы рабочей камеры, механиче-
механической и строительной прочности.
Она находится в тесном взаимодействии, взаимосвязи и взаимо-
взаимозависимости с исходными материалами, получаемыми продуктами
и печной средой. Футеровка печи является неотделимым составным
элементом химико-термической печной системы «материал—среда—
футеровка». Работа футеровки должна рассматриваться только сов-
совместно с остальными элементами печной системы.
Огнеупорные материалы (огнеупоры) в зависимости от химических
свойств подразделяются на три основных вида: кислые, основные
и нейтральные. Основой такого разделения является способность
при высоких температурах кислых и основных огнеупорных веществ
легко вступать в реакцию с основными или кислыми исходными ве-
веществами и полученными продуктами. Так, например, кислые огне-
огнеупорные изделия не могут быть использованы в тех местах футе-
футеровки, где она подвергается воздействию основной плавильной пыли
и шлака.
К кислым огнеупорным изделиям относятся динасовые, шамот-
шамотные, силлимонитовые, муллитовые, корундовые и др.; к основным —
магнезитовые, доломитовые, шпинелидные, хромомагнезитовые, хро-
мокорундовые и т. д.; к нейтральным — углеродистые, графитовые,'
карбидкремниевые, карборундовые, циркониевые и др. Требования,
предъявляемые к огнеупорным материалам: 1)химическая стойкость
к агрессивному химическому воздействию высокотемпературных
расплавленных исходных материалов, полученных продуктов и печ-
печной среды в твердой, жидкой и газовой фазах; 2) термическая стой-
стойкость к воздействию высоких и многократно меняющихся темпера-
температур; 3) износостойкость к воздействию механического истирания
загружаемыми исходными материалами и выгружаемыми получен-
полученными продуктами и печной среды; 4) механическая прочность при
обычных и высоких температурах, обеспечивающая стойкость к ме-
механическим ударам исходных материалов при загрузке и в период
проведения термотехнологических процессов.
К огнеупорному материалу рабочей камеры печи предъявляются
следующие требования: 1) уменьшить затраты теплоты на прогрев
стен печей; 2) сократить потери теплоты, вызываемые теплопровод-
теплопроводностью стен и фильтрацией газов через них; 3) уменьшить время,
необходимое для разогрева внутренней поверхности стен до требуе-
требуемой температуры; 4) иметь толщину стен, обеспечивающую доста-
достаточно низкую температуру наружной поверхности и низкие потери
теплоты излучением.
Гарнисаж представляет собой разновидность защитного слоя
рабочей камеры некоторых типов печей. Гарнисаж — твердый за-
защитный слой, образующийся при плавке на внутренней поверхности
рабочей камеры, подвергающейся интенсивному охлаждению. В пе-
85

*tax с охлаждаемой футеровкой гарнисаж в основном Получается
в результате физико-химического взаимодействия шихты, газов и
материала охлаждаемых стенок, в печах без футеровок — из рас-
расплавленных или размягченных продуктов шихты на металлических
холодильниках, что является следствием интенсивного их охлажде-
охлаждения водой. При этом образуются тонкие корки застывших продуктов,
толщина которых зависит от условий плавки и особенно от режима
охлаждения печи.
Гарнисажная защита часто применяется в вакуумных печах для
получения металлов высокой чистоты (для исключения попадания
компонентов футеровки в получаемый продукт), для получения
сплавов с высокой реакционной способностью и т. д.
Теплоизоляционные материалы, применяемые в футеровке печей,
имеют следующие назначения: 1) уменьшение теплопотерь через
футеровку печи в окружающую среду; 2) снижение толщины фу-
футеровки печи; 3) упрощение конструкции футеровки; 4) уменьшение
температуры на наружной поверхности; 5) уменьшение теплоты,
поглощаемой футеровкой (при использовании легковесных огне-
огнеупоров).
В качестве теплоизоляционных материалов при строительстве
печей применяются легковесные изделия из диатомита, шамота,
пирофиллита, корунда, динаса, аноритита, а также различные
теплоизоляционные покрытия.
Теплоизоляционные материалы, используемые для футеровки
•печей, должны иметь следующие свойства: 1) низкий и длительно
не меняющийся коэффициент теплопроводности; 2) незначительный
вес; 3) незначительную теплоемкость; 4) достаточную механиче-
механическую прочность; 5) необходимую огнеупорность; 6) приспособляе-
приспособляемость к конструктивным частям футеровки; 7) способность наклады-
накладываться без подмазки и воздушных прослоек; 8) эластичность; 9) от-
отсутствие осадки при вибрации; 10) неизменность своих свойств при
высоких температурах; 11) нечувствительность к действию воды и
пара.
Однако большинство теплоизоляционных материалов, облада-
обладающих высокой изоляционной способностью, имеют сравнительно
слабую сопротивляемость действию высоких температур. Такие
материалы не всегда годятся для непосредственного расположения
за слоем огнеупорного кирпича в областях высокой температуры.
В этих случаях применяется двухслойная теплоизоляция. Первый
к огнеупору слой должен быть из более теплопроводной, но зато
стойкой изоляции, а последующий слой — из малотеплопроводной,
но термически более слабой изоляции.
Облицовочные изделия предназначены для обеспечения строи-
строительной прочности печи при применении теплоизоляционного слоя
из диатомового кирпича, уменьшения тепловых потерь через футе-
футеровку и придания печи эстетического вида. В качестве облицовоч-
облицовочных изделий применяются глиняный кирпич и различные по-
покрытия.
S6

Функции футеровки
Футеровка печей выполняет термотехнологические, теплотехни-
теплотехнические и механические функции при осуществлении печных про-
процессов.
Термотехнологические функции футеровки. Футеровка печей
позволяет осуществлять высокотемпературные термотехнологиче-
термотехнологические процессы с различными исходными материалами, имеющими
высокую реакционную способность и находящимися в различных
фазовых состояниях; сохраняя при этом длительное время геометри-
геометрическую форму рабочей камеры и строительную прочность печи.
Гарнисажная корка реакционного объема печи позволяет осу-
осуществлять процессы в вакууме, когда этого требует чистота полу-
получаемого продукта, и при высоких температурах
Футеровка — стабилизатор термотехноло-
термотехнологических процессов. Осуществление ряда термотехно-
термотехнологических процессов с исходными материалами (сжигание серы,
мазута, фосфорсодержащих шлаков, метана и т. д.) возможно только
в печи с предварительно разогретой футеровкой, которая играет
роль стабилизатора температуры в печи. Она сглаживает неравно-
неравномерности подачи горючих материалов, исключает прекращение тер-
термотехнологического процесса при кратковременном прекращении
поступления исходных веществ.
Разогретая футеровка участвует в переводе в паровую фазу
ряда жидких исходных материалов, является постоянным источни-
источником воспламенения их.
Влияние материала огнеупорной футе-
футеровки на протекание термотехнологиче-
термотехнологического процесса и качество получаемого
продукта. При выплавке многих сплавов оксиды огнеупорных
материалов обычно взаимодействуют при высоких температурах
с высоко реакционноспособными металлами. Некоторые из этих
реакций облегчаются наличием низких давлений.
Чистые оксиды огнеупорных материалов в соответствии со стан-
стандартной свободной энергией их образования на 1 моль О2 можно
расположить в следующий ряд: CaO, MgO, ZnO2, A12O3, TiO2, SiO2,
СгаОя.
Низкое давление облегчает восстановление оксидов, находя-
находящихся в растворе, углеродом с образованием газообразного про-
продукта — оксида углерода, а также протекание реакций восстановле-
восстановления таких окислов, как MgO.
Сплавы с повышенным содержанием Ti будут взаимодействовать
гораздо хуже с менее стойкими огнеупорными материалами, такими
как SiO2. Поэтому для выплавки химически активных сплавов
в вакууме кремнеземистые огнеупорные материалы крайне непод-
неподходящи.
Огнеупорные тигли, в которых находится жидкий металл, под-
подвержены восстановительным реакциям с металлом, поэтому стой-
стойкость применяемых для них материалов несколько ниже при ва-
87

куумной плавке, чем при плавке на воздухе. Вследствие взаимо-
взаимодействия с огнеупорами металл в большей степени загрязняется
продуктами этих реакций.
В качестве футеровки часто применяется оксид магния или диок-
диоксид циркония, набиваемые и обжигаемые обычно в графитовых
или стальных шаблонах.
Магнезитовая футеровка обладает тем достоинством, что восста-
восстановленный из нее магний быстро улетучивается и не изменяет хи-
химического состава плавки. При использовании футеровки из диок-
диоксида циркония последний восстанавливается и попадает в металл.
Плавильные тигли, изготовленные из графита, являются хорошими
раскислителями расплавленной катодной меди как в вакууме, так
и в печах открытого типа и способствуют получению сплава, отно-
относительно свободного от окисных плен.
При плавке алюминиевых сплавов и алюминиевых бронз содер-
содержащийся в сплаве алюминий химически взаимодействует с футеров-
футеровкой, при этом он активно восстанавливает кремний из кремнезема
полу кислой или алюмосиликатной футеровки. Он также может реаги-
роиать с оксидами железа и хрома, обычно в небольших количествах
присутствующих в футеровочных материалах:
3SiO2 + 4A1 —>2А12О3 + 3S1
3FeO + 2А1 —► А12О3 + 3Fe
Сг2О3+2А1—>А12О3+2Сг
Если алюминиевый сплав содержит магний, то при плавке он
также может реагировать с кислой футеровкой:
SiO2 + 2Mg—>2MgO + Si
SiO2 + 4Mg—>Mg2Si + 2MgO
В результате этих реакций изменяется химический состав как
огнеупорной футеровки, так и выплавляемых сплавов. В составе
футеровки уменьшается содержание кремнезема и увеличивается
содержание более прочных А12О3 и MgO, что приводит к увеличе-
увеличению срока службы футеровки.
Восстанавливаемые из оксидов кремний, железо, хром и другие
элементы переходят в расплав.
При плавке латуней и меди в индукционных канальных печах
с кислой футеровкой закись меди реагирует с кремнеземом футе-
футеровки с образованием силикатов оксида меди (I), имеющих не особо
высокую температуру плавления и переходящих в шлак:
SiO2 -г Cu2O—^Cu2Si03
SiO2 + 2Cu2O—►Cu4Si04
За счет перехода кремнезема футеровки в виде силикатов оксида
меди (I) в шлак каналы печи увеличиваюсь в сечении, что способ-
способствует износу футеровки.
Рабочий слой футеровки взаимодействует с металлом, и при
использовании хромсодержащих изделий футеровка может явиться
источником загрязнения стали хромом. Так, при выплавке транс-*

форматорной стали в большегрузных печах содержание хрома может
достигать 0,10—0,13% [29].
При выплавке высокохромистых сталей типа Х18Н10Т на ра-
рабочей поверхлости огнеупорной футеровки образуется своеобразный
гарнисаж с повышенным содержанием А12О3 + TiO2 (до 33%),
оксидов железа (до 57%) и оксидов хрома (до 33%), что ведет к уве-
увеличению срока службы футеровки.
Рабочий слой подины электропечей активно участвует в физико-
химических процессах, протекающих в ванных печах, что Еызывает
изменение ее химического состава, а также пористости в зависимости
от выплавляемой марки стали. Отмечено колебание содержания
почти всех составляющих компонентов верхнего слоя по ходу плавки:
FeO — от 1,60 до 12,34%, MgO — от 42,7 до 73,6%, SiO2 — от 6,96
до 16,42%, СаО — от 7,20 до 37,6% и т. д. В связи с изменением
химического состава подины изменяется минералогический состав,
меняется пористость ее до глубины 20 мм [29].
Бор в виде В2О3, содержащийся в футероке из MgO в значитель-
значительных количествах, восстанавливается и вымывается в течение пла-
плавильного цикла и попадает в металл (до 0,001%). Этого количества
бора достаточно, чтобы изменить свойства металла.
Теплотехнические функции футеровки. Футеровка печей выпол-
выполняет следующие теплотехнические функции: 1) обеспечивает воз-
возможность получения необходимых высоких температур в рабочей
камере для осуществления термотехнологических процессов при
длительном сохранении ею геометрической формы и строительной
прочности; 2) уменьшение потерь теплоты в окружающую печь
среду через внешнюю ее поверхность; 3) обеспечивает требуемую
газоплотность для исключения выбивания раскаленных газов;
4) предохраняет металлические конструкции печи и обслужива-
обслуживающий ее персонал от воздействия высоких температур; 5) обеспе-
обеспечивает устойчивость сжигания горючих материалов, не допуская
затухания пламени горения при возможных снижениях их расхода;
6) придает пламени заданную форму, а раскаленным газам —
необходимое направление движения.
Тепловые процессы в футеровке печи
включают в себя передачу теплоты в толщу футеровки из-за тепло-
теплопроводности футеровочных материалов, аккумуляцию теплоты бла-
благодаря теплоемкости их, распределение температуры в футеровке за
счет температуропроводности, участие во внутри печном и внешнем
теплообмене, ведущем к потерям теплоты в окружающую среду,
а в целом — к созданию определенного теплового состояния фу-
футеровки.
Во вращающихся печах футеровка как бы выполняет функции
насадки в регенераторах.
Следствие тепловых процессов в футеровке —возникновение в ней
различных усилий и нагрузок, определяющих прочность, целост-
целостность и срок эксплуатации печи.
В связи с тем, что участие футеровки во внутрипечном теплооб-
теплообмене является только элементом теплообмена в единой химико-
89

термической г1ечной системе «материал—среда—футеровка», она
рассматривается со всеми элементами системы теплообмена в гл. 3.
Тепловое состояние футеровки работающей
печи — это результат распределения тепловой энергии в ней; вы-
выражается оно определенным профилем температур, который является
следствием теплового и температурного воздействия печной среды*
исходных материалов и полученных продуктов на поверхность
рабочей камеры, теплопередачи в футеровке, термического сопро-
сопротивления футёровочных материалов, аккумуляции теплоты ими
и температуры окружающей печь среды. Тепловое состояние футе-
футеровки отражает влияние всех процессов и явлений, протекающих
в печах, подтверждая наличие единой химико-термической печной
системы «материал—среда—футеровка».
Тепловое состояние футеровки печи подразделяется на стацио-
стационарное и нестационарное.
Стационарное (установившееся) состояние футеровки создается
тогда, когда количества теплоты, поступающие в нее и рассеиваемые
в окружающей среде, равйы. Такое состояние присуще только пе-
печам с непрерывным характером протекания термотехнологиче-
термотехнологического процесса, после завершения аккумуляции теплоты в рабочем
режиме.
В пусковой период печи с непрерывным теплотехническим про-
процессом временно работают в нестационарном тепловом состоянии до
разогрева футеровки от исходного («холодного») состояния до задан-
заданной температуры с последующей выдержкой при этой температуре.
В этот период происходит аккумуляция теплоты футеровкой с одно-
одновременной потерей ее в окружающую среду.
Суммарное количество теплоты, аккумулированное футеровкой
и расходуемое на покрытие потерь в окружающую среду, может
быть определено по методике В. Ф. Ратникова [30].
Распределение температуры в футе-
футеровке — результат внутрипечного и внешнего теплообменов,
теплопередачи внутри футеровки и аккумуляции ею теплоты. Оно
является одним из существенных факторов тепловой работы футе-
футеровки, определяющих возникновение в ней нагрузок и деформаций,
а также сопротивление действию шлаков. Наконец, распределением
температуры в футеровке определяются условия работы каркасов,
кожухов, связей и фундаментов.
Характерными и показательными для распределения температуры
в футеровке являются температура на поверхности рабочей камеры;
температура внутри футеровки; температура на внешней поверх-
поверхности .
I. Температура на поверхности рабочей камеры. Нагрев поверх-
поверхности рабочей камеры происходит в результате внутрипечного теп-
теплообмена за счет поступления теплоты: 1) радиацией от пламени
горения горючих материалов, горения электрической дуги,- зеркала
расплавленного металла и шлака, раскаленных газов; 2) тепло-
теплопроводностью от нагретых исходных материалов и полученных про-
продуктов; 3) конвекцией при движении раскаленной печной среды.
90

232
1500
Толщина футеродки, мм
Рис. 7. Распределение температуры в футеровке печи.
Условия получения теплоты поверх-
поверхностью рабочей камеры крайне сложны
и зависят от множества различных фак-
факторов. В результате их совместного дейст-
действия на поверхность рабочей камеры уста-
устанавливается какая-то определенная для
каждого участка температура, которая,
с одной стороны, зависит от суммарной
величины рассмотренных тепловых пото-
потоков, а с другой, сама определяет их~вели-
чину и направление. От температуры по-
поверхности зависит и величина потока теп-
теплоты, протекающей через нее, а также
температура наружной поверхности фу-
футеровки.
Поверхность рабочей камеры всегда имеет различную темпера-
температуру. Температура центра свода печи отличается от температуры
периферийной части свода на 270—460 °С у сорокатонных электро-
электропечей и на 100—200 °С у десятитонных электропечей. Температура
верхней части футеровки стен близка к температуре свода, а темпе-
температура нижней части определяется температурой металла и шлака.
Температуры футеровки стен и свода находятся в зависимости от
технологии плавки.
II. Температура внутри футеровки определяется в зависимости
от температур поверхности рабочей камеры и наружной поверх-
поверхности, теплопередачи, аккумуляции теплоты, конструкции фу-
футеровки, физических свойств материалов, из которых она изго-
изготовлена.
Распределение температуры внутри футеровки (рис. 7) имеет
большое значение при определении температуры на границе между
слоями, величины тепловых потерь через футеровку, выборе футе-
ровочных материалов.
Теплопередача внутри футеровки печи осуществляется строго
в соответствии с законами теплопередачи, подробно описанными
в специальной литературе.
III. Температура наружной поверхности футеровки печи в боль-
большинстве случаев не очень велика и колеблется в довольно узких
пределах.
Согласно санитарным нормам проектирования промышленных
предприятий СН-245—63, утвержденным Госстроем СССР, темпе-
температура наружной поверхности футеровки печи на рабочих местах
не должна превышать 45 °С. Температура наружной поверхности фу-
футеровки печей влияет на распределение температур в помещении
цехов, где они установлены, и на температуру каркасов и кожухов.
Прогрев этот, почти всегда весьма неравномерный, вызьшает нерав-
неравномерное расширение определенных частей каркаса и возникнове-
возникновение в нем весьма значительных дополнительных напряжений.
91

Механические функции футеровки. Основной механической функ-
функцией, выполняемой футеровкой печи, является придание заданного
направления движению исходных материалов, полученных про-
продуктов и печной среды для осуществления термотехнологических
и теплотехнических процессов при получении различных целевых
продуктов.
Вращение футеровки печей с вращающимся барабаном позволяет
транспортировать исходные материалы и полученные продукты
по рабочей камере.
Стойкость футеровки
Стойкостью футеровки называется способность ее противостоять
различным воздействиям с сохранением в течение длительного
времени строительной прочности и первоначальных геометрических
форм рабочей камеры.
Футеровка печей подвергается химическим, физическим, терми-
термическим, механическим воздействиям, на ее стойкость влияют также
геометрия рабочей камеры и режимы эксплуатации печи. Приведен-
Приведенные выше виды воздействий на футеровку печей возникают последо-
последовательно, параллельно или накладываясь одно на другое.
Для качественного выполнения футеровкой своих функций в печ-
печной системе необходимо при проектировании, конструировании и
эксплуатации печей учитывать все факторы, влияющие в совокуп-
совокупности на ее стойкость.
Химическая стойкость огнеупорной футеровки — сопротивляе-
сопротивляемость ее химическому воздействию со стороны исходных материалов,
получаемых продуктов и печной среды, находящихся в различных
фазовых состояниях и при высоких температурах.
Химическая стойкость футеровки печей является одним из основ-
основных факторов, определяющих: 1) возможность проведения в них
высокотемпературных термотехнологических процессов и их интен-
интенсификации; 2) качество получаемых продуктов; 3) длительность
кампании между ремонтами; 4) экономическую эффективность спо-
способа получения целевого продукта и т. д.
Системная теория печей требует, чтобы рассматривалась не
только химическая стойкость отдельного огнеупорного изделия,
а футеровка в целом, включая связующие материалы и качество
изготовления, так как они оказывают существенное влияние на
химическую стойкость. Такое комплексное рассмотрение диктуется
тем, что отдельное огнеупорное изделие и футеровка в целом функ-
функционируют различно. Если химическая стойкость связующего ма-
материала окажется ниже, чем у огнеупорного изделия, то это может
обусловить разъедание футеровки шлаком во внутренних плоскостях,
что приведет к дальнейшему разрушению последующих слоев футе-
футеровки из теплоизоляционного и облицовочного материалов и, как
следствие, к разрушению металлического кожуха печи, разгерме-
разгерметизации рабочей камеры и выходу печи из строя.
92

Сущность разрушения огнеупорной футеровки от химического
воздействия заключается в следующем: 1) разъедание футеровки
печной средой, что ведет к уменьшению толщины ее и к последующему
разрушению; 2) увеличение объема огнеупорных изделий, что ведет
к разрушению целостности футеровки; 3) разрыхление огнеупорных
изделий в результате действия кислот, гидратации водяных паров,
что ведет к потери прочности, термостойкости и к последующему
разрушению и т. д.
Химические взаимодействия между огнеупорной футеровкой,
исходными материалами, получаемыми продуктами, а также печной
средой различны и зависят от особенностей термотехнологических
процессов, осуществляемых в печах.
Влияние исходных материалов на стой-
стойкость футеровки. При переработке в доменных печах цин-
косодержащих руд происходит отложение металлического цинка
в швах и трещинах кладки, а при наличии настылей или желези-
железистого гарнисажа при 650—800 °С образуется сплав железа с цинком,
содержащий 4—20 % железа. Медленное падение температуры
футеровки ниже 657 °С вызывает затвердевание этого сплава, про-
протекающего с увеличением объема, что приводит к образованию до-
дополнительных трещин, а при неоднократном повторении — к раз-
разрыву кожуха печи.
Вследствие окисления цинка в шихте в верхних зонах печи в фу-
футеровке отлагается оксид цинка. В нижних зонах печи идет восста-
восстановление и отложение цинка. В результате повторения этого про-
процесса окисления и восстановления возникает циркуляция цинка
в печи и происходит накопление его паров в печных газах.
Восстановление и окисление цинка описывается уравнением
ZnO + CO^±Zn+ CO2
Хромосодержащие огнеупоры с крупнозернистым хромитом
в шихте при контакте с расплавом, содержащим в своем составе
монтичеллит, флюорит, кусидин, мервинит, разрушают хромшпи-
нелид, начиная с температуры 1400 °С; при контакте с расплавами,
по составу близкими к двухкальциевому силикату, форстериту и
клиноэнстатиту, указанные огнеупоры разрушаются при темпера-
температуре 1600 °С и выше.
При плавке легированных сталей в период плавления шихта
(исходные материалы) взаимодействует с печными газами, футеров-
футеровкой печи и покрывающими шихту оксидами (окалиной), в результате
чего происходит обогащение стали газами и окисление элементов,
находящихся в металле. Образующиеся оксиды выделяются из стали,
частички их коалесцируют и всплывают на поверхность жидкой стали,
образуя шлак.
Взаимодействие огнеупорной футеровки
и печной среды. Огнеупорная футеровка рабочей камеры
промышленной печи находится в постоянном взаимодействии с печ-
печной средой, находящейся в газовой, жидкой и твердой фазах, при
93

высоких температурах и различных давлениях. Она оказывает
сильное разрушающее воздействие на футеровку и влияет на дли-
длительность ее эксплуатации.
Взаимодействия огнеупорной футеровки и печной среды различны
и зависят от фазового состояния последней, химического состава,
температуры и плотности.
Газовая среда заполняет полностью или частично рабочую ка-
камеру печи и находится в непосредственном контакте с внутренней
ее поверхностью. Она обладает полной возможностью проник-
проникновения в огнеупорную футеровку и разрушения ее в результате
физического и химического взаимодействий. Разрушения футеровки
возникают в определенных температурных зонах как результат
глубокого проникновения газов в футеровку и увеличения ее в
объеме.
Влияние на огнеупорную футеровку газовой среды зависит от
ее химического состава, температуры, давления и времени конта с-
тирования.
В электропечах в восстановительной среде оксид железа (III),
содержащийся в огнеупорных материалах, переходит в оксид же-
железа (II), температура плавления его при этом снижается соответ-
соответственно с 1565 до 1368 °С [29]. Если учесть, что существенно сни-
снижается также и температура плавления эвтектик указанных окисидое
с основой огнеупорного материала, то становится очевидным более
интенсивный износ футеровки оплавлением в восстановительной
газовой среде плавильного объема электропечи.
В среде газообразного хлора уменьшаются прочность структуры
и сцепление зерен в результате распада и испарения определенных
составляющих изделия. При температуре 950 °С и времени контакта
72 ч прочность магнезитовых и хромомагнезитовых изделий умень-
уменьшается на 100%, шамотных — на 24%, динасовых — на 13% и
высокоглиноземистых — на 5% [29]. В магнезитсодержащих изде-
изделиях при взаимодействии с газообразным хлором образующийся
MgCl2 имеет низкую точку плавления G12 °С), поэтому легко пре-
превращается в жидкость и удаляется.
В силикатных изделиях, содержащих оксиды железа, при взаи-
взаимодействии с хлором образуются хлориды железа FeCl2 и FeCl3,
которые испаряются.
При взаимодействии магнезитового огнеупора с В2О3 образуется
низкоплавкое соединение бора с оксидом магния и в результате
происходит выплавление и выпадение огнеупорных изделий из
футеровки.
При реакции с парами щелочей динасовые изделия разрушаются
при температуре выше 1000 °С вследствие образования стекловидной
фазы и постепенного их оплавления. При нагреве динасовых изде-
изделий в среде водорода до 1200 °С форсируется превращение кварца
в кристобалит, что ведет к уменьшению прочности.
Футеровка стекловаренных печей ваимодействует с парами ще-
щелочей, которые выделяются из стекломассы, в результате чего про-
происходит ее разрушение.
94

Магнезитовые и доломитовые изделия поглощают парь! водь! p
низких температурах (ниже 600 °С), что также ведет к разрушению
футеровки.
Углеродистые и карборундовые изделия окисляются кисло-
кислородом.
Углеводороды (метан, этан и природный газ), как и СО, осаж-
осаждают углерод в присутствии каталитически активных примесей фу-
футеровки в широком диапазоне температур.
Шамотная футеровка доменной печи поглощает щелочи, в резуль-
результате чего происходит разбухание изделий и их отслаивание. Щелочи
содержатся в основном в коксе и железной руде и в процессе плавки
выделяются в газообразном состоянии.
Углеродистые и карбидкремниевые огнеупоры окисляются в окис-
окислительной среде при высоких температурах.
Окисление карбида кремния разрушает изделия в результате
расширения их при окислении внутренних слоев изделия.
В случае контакта углеродистых изделий с водяными парами при
высокой температуре происходит окисление металлов.
Огнеупорные изделия, содержащие хромит, восстанавливаются
в восстановительной газовой среде при высоких температурах.
Хромомагнезитовые й магнезитохромитовые изделия восстанавли-
восстанавливаются, когда температура содержащихся в них оксидов железа
превышает 1600 °С; при температуре менее 1600 °С происходит окис-
окисление. Эти процессы окисления и восстановления сопровождаются,
соответственно, ростом и усадкой, поэтому при многократных нагре-
нагревах и охлаждения при температуре 1600 °С огнеупор разрыхляется
и приобретает хрупкость.
Оксид углерода при контакте с оксидами железа огеупорного
материала, являющегося в данном случае катализатором, разла-
разлагается по реакции 2СО ^ СО2 + С. В результате этой реакции вы-
выделяется сажистый углерод. Его осаждение в огнеупоре — наиболее
распространенная причина преждевременного выхода из строя фу-
футеровки доменной печи.
Кроме стойкости к растрескиванию и размыванию футеровка
печи, работающей в условиях вакуума при плавке материалов, не
должна химически взаимодействовать с жидким металлом, чтобы
не вызвать изменения его химического состава. При атмосферном
давлении оксиды алюминия и магния и диоксид циркония имеют
высокую температуру начала восстановления, вследствие чего воз-
возможность восстановления из футеровки печи алюминия, магния и
циркония в этих условиях при температурах металла 1500—1600 °С
исключается. В вакууме же температура начала восстановления
оксидов значительно снижается и, следовательно, возможно загряз-
загрязнение металла продуктами диссоциации указанных оксидов, даже
в случае применения этих оксидов в плавленом виде.
Для предотвращения восстановления футеровки тигля решающее
значение имеет режим ведения плавки.
На интенсивность восстановления в основном влияют пять фак-
факторов: величина вакуума, температура металла, время выдержки
95

Жидкого металла под вакуумом, состояние поверхности сте*
нок футеровки печи, присутствие различных количеств углерода в
сплаве.
Восстановление футеровки из плавленого диоксида циркония
зависит от температуры: при 1600—1650 °С в металле обнаруживаются
только следы циркония, с увеличением температуры выше 1750 °С
в сплав попадают уже десятые доли процента циркония.
По указанной выше причине материал тигля для плавки метал-
металлов в вакууме не должен испаряться при рабочих температурах,
а также не содержать или не образовывать в результате реакции
с жидким металлом сильно летучих и легко диссоциирующих со-
соединений. Так, например, не рекомендуется проводить плавку
стали под вакуумом в кварцевых тиглях из-за значительной лету-
летучести кремниевой кислоты и оксида кремния. Плавка в вакууме
также сильно ухудшает службы магнезитового тигля, удовлетвори-
удовлетворительно работающего при плавке в атмосфере воздуха. Здесь имеет
место разложение материала тигля ввиду сильного испарения магния
в вакууме. Испаряющийся магний конденсируется на холодных
внутренних деталях печи и на смотровом стекле, что затрудняет
ведение плавки.
При значительном снижении давления важную роль приобре-
приобретает химический состав огнеупорных материалов и возникающие при
этом химические реакции. Понижение давления часто способствует
взаимодействию оксидов с углеродом или водородом.
Кремнезем, оксид железа (III), оксид тория легко восстанавли-
восстанавливаются при низких давлениях и высоких температурах. Вследствие
этого при плавке под вакуумом сплавов, содержащих углерод, алю-
алюминий и титан, можно ожидать реакции кремнеземистой формы
с этими элементами.
Все названные выше оксиды при соприкосновении с жидким ме-
металлом в некоторой степени диссоциируют, а продукты уходят
в виде газов.
Взаимодействие огнеупорной футеровки
со шлаками. Наиболее существенную роль при износе огне-
огнеупоров руднотермических плавильных печей играет шлак. Его
агрессивное действие на футеровку определяется химическим соста-
составом, температурой, вязкостью и длительностью контакта.
Химический состав шлака зависит от вида исходного материала,
способа получения целевого продукта. Чем сложнее состав выплав-
выплавляемой стали, тем больше вводится в металл легирующих добавок,
тем агрессивнее шлак.
Шлак плавления при выплавке стали 18ХНМА методом переплава
является более агрессивным по отношению к огнеупорной футеровке
печи, чем при плавке с окислением. Окислительный шлак конструк-
конструкционной стали, содержащий 0,3% С, наиболее агрессивен по отноше-
отношению к основной футеровке печи.
Шлаки, богатые соединениями калия и натрия, взаимодействуют
с огнеупором, что приводит к перерождению структуры части кир-
кирпича, подвергшейся действию шлака. При этом изменяются размеры
96

перерождающейся части кирпича. Между нею и остальным кирпичом
создаются натяжения, способствующие образованию трещин.
Изменение состава и вязкости шлака по ходу плавки и отдель-
отдельных ее периодов неизбежно сказываются на изменении структуры и
фазового состояния контактирующих с ними огнеупоров, обуслов-
вливая различные скорости износа футеровки. Наиболее агрессивны
по отношению к футеровочным материалам стен (особенно откосов)
шлаки, содержащие 10—28% SiO2, 4—9% МпО, 4—26% FeO, 5—
15% Fe2O3 129].
В расплавленном шлаке кремнезем и глинозем увеличивают по-
поверхностное натяжение, а щелочи его уменьшают; поэтому из стекло-
стекломассы щелочи активно проникают в поры огнеупора и растворяют
кремнезем и глинозем. В результате на поверхности огнеупора
уменьшается количество щелочей и вновь начинается диффузия
щелочей из стекла, вследствие чего происходит разъедание огне-
огнеупора.
Огнеупорные изделия, содержащие карборунд, обладают высо-
высокой шлакоустойчивостью к шлакам, не содержащим оксидов железа.
Динасовые и шамотные изделия образуют с оксидами железа
наиболее легкоплавкие смеси. Высокоглиноземистые изделия сле-
следуют за динасовыми и шамотными, а самые огнеупорные соединения
образуют магнезитовые изделия с оксидами железа. Минимальным
растворением в шлаке обладают хромитовые и хромомагнезитовые
изделия.
Щелочи образуют легкоплавкие соединения с динасовыми, полу-
полукислыми, алюмосиликатными и шамотными изделиями.
Магнезитовые изделия обладают высокой устойчивостью к воз-
воздействию щелочей.
Оксиды меди образуют легкоплавкие смеси с динасовыми, шамот-
шамотными и высокоглиноземистыми изделиями. Смеси оксидов меди
с хромитовыми и хромомагнезитовыми изделиями имеют высокую
температуру плавления.
Оксиды свинца легко реагируют с алюмосиликатными изделиями
с высоким содержанием SiO2, но трудно вступают в реакцию с вы-
высокоглиноземистыми изделиями. Магнезитовые изделия имеют вы-
высокую устойчивость к воздействию оксидов свинца. Плавиковый
шпат и фосфаты извести обладают сильной проникающей способ-
способностью.
Значение вязкости шлака в процессе его взаимодействия с огне-
огнеупорами заключается в том, что малая вязкость соответствует легкой
подвижности шлака, а большая вязкость затрудняет и уменьшает
возможность перемещения его частиц. Легкоподвижный шлак сво-
свободно проникает во все поры и трещины огнеупора, легко вступает
там во взаимодействие с наиболее податливыми частицами и, вытекая
оттуда, уносит образовавшиеся продукты, тем самым давая возмож-
возможность поступать новым порциям шлака и, следовательно, непрерывно
поддерживая процесс разрушения. Малоподвижный шлак с трудом
проникает в узкие поры футеровки, а попав туда, закупоривает их,
прекращая доступ новым порциям шлака, и является защитным
4 Исламов М. Ш. 97

слоем. Увеличение вязкости шлака, связанное с извлечением неко-
некоторых веществ из огнеупора, в еще большей степени способствует
этой задержке шлака в порах кирпича.
Поглощение частиц огнеупора шлаком вызывает изменение свойств
самого шлака — повышение тугоплавкости образовавшейся смеси
и увеличение ее вязкости, а при некоторых соотношениях поглощен-
поглощенного огнеупора и шлака последний практически теряет свойства
жидкости, становится неподвижным. Такое состояние достигается,
например, при содержании 20% А12О3 в огнеупоре и 60% Fe2O3
при 1200 °С.
Разъедание кирпича шлаком, текущим по стене, зависит от ско-
скорости обмена свежего шлака с раствором, образовавшимся от раство-
растворения составных частей кирпича в шлаке. Этот обмен происходит
через тонкий слой текущего шлака посредством диффузии. Чем
меньше вязкость шлака, тем тоньше его слой, текущий по стене и
тем короче путь для этого обмена.
Вязкость шлака зависит от его температуры и химического со-
состава, который в свою очередь находится в зависимости от состава
исходных материалов, полученного продукта и температурного
режима проведения термотехнологического процесса.
Механизм взаимодействия огнеупорной футеровки со шлаком
следующий. Шлак, налипающий на огнеупорную футеровку, всту-
вступает с ней во взаимодействие, в результате которого образуется
расплав шлака и огнеупора. Этот расплав проникает в футеровку
и может образовать в результате физико-химических превращений
при высоких температурах с огнеупором тонкий метаморфический
слой, находящийся близко от рабочей поверхности футеровки. Ме-
Метаморфический слой стекает с ее поверхности вместе с растворенным
в нем огнеупором поверхности футеровки.
В образовавшемся расплаве растворяются и диффундируют ком-
компоненты матрицы огнеупоров, а оставшиеся грубые частицы на
поверхности футеровки смывает поток расплава.
Взаимодействие огнеупоров со шлаком возникает, когда нагре-
нагретый твердый огнеупор оплавляется в расплаве шлака. Если скорость
оплавления огнеупора высокая, а скорость диффузии огнеупора
в шлак небольшая, то на поверхности футеровки образуется насыщен-
насыщенный расплав огнеупора в шлаке, который ограничивает оплавление
огнеупора. В этом случае скорость диффузии определяет разруше-
разрушение. Если скорость диффузии компонентов огнеупора в шлак высо-
высокая, а скорость оплавления огнеупора в шлаке небольшая, т. е.
скорость разрушения огнеупора ограничивается скоростью его
оплавления, то разрушение огнеупора определяет скорость реакции.
Практически растворение огнеупоров в расплавленном металле
определяется кинетикой реакций, а растворение огнеупоров в шла-
шлаке — кинетикой диффузии.
Скорость оплавления огнеупоров в шлаке вычисляется по фор-
формуле:
а/А -= (D/6) (п8/п)
где а — количество растворенного огнеупора; Л — площадь поверхности контакта;

D — коэффициент диффузии; 6 — толщина диффузионного слоя; ns — степень на-
насыщения; п — концентрация огнеупора в расплаве.
Для расчета стойкости огнеупора к растворению в шлаке может
быть применена экспериментальная формула [31 ]
где / — показатель огнеупора (чем он меньше, тем больше стойкость огнеупора);
р — открытая пористость, %; р — кажущаяся плотность, г/см3; L — процент сжа-
сжатия при проведении испытания на деформацию под нагрузкой; #пр — предел проч-
прочности при сжатии, Па.
Взаимодействие огнеупорной футеровки
с плавильной пылью. Под сводом электроплавильных
и мартеновских печей во все периоды плавки находится плавильная
пыль, которая взаимодействует со сводовыми огнеупорами, пол-
полностью впитываясь в них или оставляя на поверхности расплывчатые
пятна, а также тонкозернистые бугорки металла.
Плавильная пыль, проникая в магнезитохромитовый огнеупор,
образует в нем реакционную зону. Минералогически она сотоит из
периклаза, насыщенного магнезиоферритом. Насыщая рабочие зоны
футеровки, плавильная пыль снижает их огнеупорность; при содер-
содержании ее от 50 до 90 % огнеупорность снижается с 1850 до 1570 °С.
Смеси динас—плавильная пыль неогнеупорны уже при 30 %
добавки пыли. Высокое содержание в плавильной пыли оксида же-
железа (II) и оксида марганца понижает ее огнеупорность в зависи-
зависимости от газовой среды — в окислительной среде на 200—240 °С
выше, чем в восстановительной.
Взаимодействие огнеупорной футеровки
с окалиной металлов. Основной причиной износа подин
нагревательных печей являются оксиды железа, так как они оказы-
оказывают коррозионное воздействие.
При температурах в печи выше 1250 °С происходит весьма интен-
интенсивное окисление железа. Образующаяся окалина размягчается
и стекает на огнеупорную подину печи.
Шамотные огнеупорные изделия начинают взаимодействовать
с оксидами железа в восстановительной газовой среде при 1100 °С,
а весьма интенсивное взаимодействие между ними протекает в окисли-
окислительной газовой среде при температуре 1300 °С и выше. Наиболее
интенсивное взаимодействие между огнеупорным материалом и ока-
окалиной наблюдается в момент ее образования.
В окалине, образующейся во время окисления металла и после
того, как она попадает на под печи, продолжается реакция окисления.
В этот период наиболее интенсивно взаимодействуют оксиды железа
с алюмосиликатными и основными огнеупорными материалами, что
приводит к разбуханию огнеупорных изделий из-за проникновения
внутрь жидкой фазы.
Весьма устойчивы к воздействию окалины и окисляющего ме-
металла в нагревательных печах при температурах 1400—1450 °С
4* 99

2,0
\ I I I T 1 \l
400 800 1200
Температура, °С
1600
Рис. 8. Термическое расширение огне
упорных материалов:
I — 3 — шамотный кирпич; 4—6 — ди-
насовый кирпич; 7 — магнезитовый
кирпич; 8 •*■ магнезит с небольшим
содержанием железа; 9 — хромитовый
кирпич; 10 -*- муллитовый кирпич;
II —• каолиновый кирпич; 12 — тепло-
теплоизоляционный кирпич.
карборундовые огнеупор ы,
что объясняется малым хи-
химическим сродством между
ними и окалиной и плохой
смачиваемостью расплавлен-
расплавленной окалины поверхности
карборундовых огнеупоров.
Однако при содержании во-
водяных паров в газовой среде
эти огнеупоры интенсивно
окисляются уже при темпе-
температуре 900—1000 °С, поэтому
существует опасность разру-
разрушения карборундовых огнеупоров, если перед очисткой подины
окалину поливать водой. При этом протекает окисление SiC до biU2.
Термическая стойкость футеровки. При термическом воздей-
воздействии на футеровку печи возникают такие физические явления, как
термическое расширение, пластическая деформация и растрески-
растрескивание, которые определяют возможность осуществления термотех-
термотехнологического процесса, стойкость футеровки без нарушения геоме-
геометрических форм рабочей камеры, длительность эксплуатации и тех-
технико-экономические показатели процесса получения целевого про-
продукта. Эти физические явления возникают одновременно* последова-
последовательно или накладываясь одно на другое. Картина их развития
бывает чрезвычайно разнообразной, что объясняется сложностью
процессов, возникающих в футеровке, и множеством условии,
оказывающих на нее влияние.
Термическое расширение футеровки, lep-
мическое расширение футеровочных материалов является свойством,
которое различно для каждого материала и зависит от температуры.
На рис. 8 приведены кривые термического расширения различных
футеровочных материалов. Значительное число повреждений и раз-
пушений футеровок связано с термическим расширением ее состав-
составляющих частей. Повреждения эти проявляются преимущественно
в виде выпучин стен, трещин футеровки, изгиба и разрыва частей
каркаса, сдвига опор частей каркаса и т. д. Термическое расширение
футеровки имеет существенное значение для прочности всей кон-
конструкции печи. Например, футеровка вращающейся цементной печи
выполняется в виде замкнутого цилиндрического кольца и распо-
располагается внутри металлического корпуса. В результате термического
расширения огнеупоров она испытывает значительные напряжения,
которые могут привести (при недостаточной ширине температурных
100

швов) к скалыванию кирпича и выпаданию всего кольца. Большей
частью трещины и деформации увеличиваются при разогреве футе-
футеровки, но иногда это происходит и при ее охлаждении. Картина
возникновения и развития этого явления очень сложна. Некоторое
представление о сложности этих процессов можно составить по непол-
неполному перечню факторов, влияющих на их возникновение и течение:
1) величина коэффициента расширения футеровочных материалов;
2) значения температур и характер их распределения в футеровке;
3) величина модуля упругости футерованных частей и ее изменение
с изменением температуры; 4) сопротивление раздавливанию про-
прослоек связующего раствора, отделяющих кирпичи; 5) сопротивление
сдвигу плоскостей кирпича друг по другу; 6) наличие связей или
упоров, затрудняющих движение расширяющихся частей футеровки
и степень податливости и прочности этих связей и упоров; 7) степень
монолитности футерованных частей (при спекшемся, а еще более
при сплавленном растворе — значительное приближение к, моно-
мономерности при низких температурах и отход от нее -при высоких
и т. п.); 8) пластичность футеровочных материалов (кирпича и
раствора) при высоких температурах; 9) число нагревов и охлажде-
охлаждений и скорость изменения температуры при них; 10) размеры футеро-
футерованных частей; 11) толщина швов между кирпичами; 12) усадка
кирпича и раствора и их спекание; 13) воздействие шлака на швы;
14) конструкция футеровки и ее элементов; 15) структурные изме-
изменения материалов футеровки и т. д.
Характер влияния всех этих факторов на процессы расширения
футеровки может быть самым разнообразным, отдельные влияния
часто комбинируются и находятся во взаимозависимости.
Обычно термическое расширение обратно пропорционально проч-
прочности межмолекулярной связи. Благодаря анизотропии в некоторых
минералах расширение различается в зависимости от направления
в кристаллической решетке. Термическое расширение больше у маг-
магнезита по сравнению с минералами со сложной структурой, напри-
например кремнезема. В связи с этим термическое расширение основных
огнеупоров больше, чем кислых.
Среди огнеупорных изделий плавленнолитые имеют почти такое
же термическое расширение, как расчетные величины для составляю-
составляющих их минералов.
Другие огнеупорные изделия обычно содержат некоторое
количество стекловидного вещества, имеющего большее терми-
термическое расширение, чем кристаллы. При этом при повышении
температуры термическое расширение быстро увеличивается. Среди
алюмосиликатных изделий муллитовые и силлиманитовые имеют не-
небольшое термическое расширение, однако более значительное по
сравнению с изделиями с высоким [содержанием кремнезема, высокое
особенно при температурах до 700/С.
Процессы расширения, наблюдаемые в футеровке из динасового
кирпича, носят совсем другой характер. Во-первых, динас не раз-
размягчается почти до температуры, соответствующей его огнеупорности,
и, следовательно, никаких процессов сжатия футеровки при этом нет.
101

Во-вторых, расширение динасового кирпича обусловливается не
только обычным коэффициентом температурного расширения, но
также и происходящими в нем структурными изменениями.
Эти структурные изменения придают процессу расширения скач-
скачкообразный характер (рис. 8.). Скачки различны по величине при
разных температурах и зависят от того, в каких формах находится
в данном кирпиче кремнезем.
Кроме того, в процессе работы происходит дальнейшее превра-
превращение кремнезема из одной формы в другую, что также сопровож-
сопровождается скачкообразными изменениями размеров кирпича. Вызванные
этими явлениями изменения размеров кирпича значительно превос-
превосходят изменения, возникающие при расширении шамотной футе-
футеровки. При шамотной футеровке увеличение размеров составляет
около 3—5 мм на 1 м длины стенки, а при динасовой оно доходит
до 15 мм на 1 м.
Выпучивание огнеупорной футеровки происходит в направлении
областей с высокими температурами. Большая прогретость огневой
стороны кирпичей вызывает здесь большее удлинение, что в свою
очередь определяет собой появление начальной выпуклости в данную
сторону. Выпучины наружной поверхности футеровки обычно обра-
обращены наружу, т. е. в направлении холодной стороны. Это противо-
противоречие объясняется тем, что причины выпучивания теплоизоляцион-
теплоизоляционного и огнеупорного слоев неодинаковы.
Выпучивание огнеупорного слоя происходит под влиянием сжи-
сжимающих сил, создающих продольный изгиб, и усиливается неравно-
неравномерностью прогрева огневой и задней сторон. Выпучивание изоля-
изоляционного слоя (красный кирпич) обычно происходит из-за давления
каких-либо внутренних расширяющих стенок (например, поперечных
стен, газонаправляющих перегородок и т. п.). В некоторых случаях
оно вызывается давлением сводов или жесткой заделкой в футеровку
металлических рам, лазов, люков, так как большое их расширение
требует значительного прироста внешней линии стены.
Предохранение футеровки от термического расширения дости-
достигается: обеспечением степени свободы с помощью температурных
швов; правильным выполнением конструкции футеровки с учетом
различного расширения огнеупорных материалов; обеспечением
связей каркасов печи в соответствии со степенью расширения футе-
футеровки.
Пластическая деформация футеровки. Фу-
Футеровка промышленных печей подвергается длительному воздействию
высоких температур, нагрузок и усилий, которые оказывают суще-
существенное влияние на прочность футеровки, вызывая пластические
деформации, которые не исчезают после снятия нагрузки (во всяком
случае не полностью).
Явление пластической деформации футеровки объясняется тем,
что огнеупорный кирпич представляет собой отдельные тугоплавкие
жесткие частицы, связанные друг с другом весьма вязким стеклооб-
стеклообразным веществом. Стеклообразное вещество является по существу
переохлажденной жидкостью, но при низких температурах вязкость
102

ZOO 400 600 600
Температура, °С
Йис. 9. Модуль упругости, определенный дина-
динамическим методом для различных огнеупорных
изделий:
/ — шамотных среднего качества; 2 — шамотных
особо ответственных; 3 — динасовых; 4 — огне-
огнеупорного бетона.
этой жидкости так велика, что свой-
свойства ее как жидкости практически
незаметны. При этих температурах
она, подобно твердому телу, ока-
оказывает упругое сопротивление уси-
усилиям, стремящимся изменить ее фор-
форму, а остаточные деформации ее
ничтожно малы Однако по мере по-
повышения температуры происходит
постепенное уменьшение вязкости
этой связующей стеклообразной
массы, и по своим свойствам она
начинает все более и более при-
приближаться к обычным, сравнительно
мало вязким жидкостям. В соответ-
соответствии с этим поведение кирпича
при низких температурах приближается к поведению твердого тела,
а по мере повышения температуры — к поведению смеси твердых
частиц и вязкой жидкости. Это свойство весьма отчетливо прояв-
проявляется в изменении модуля упругости кирпича с возрастанием тем-
температуры.
На рис. 9 приведены изменения модуля упругости различных
кирпичей в зависимости от температуры. Как видно, для шамотного
кирпича модуль упругости несколько возрастает до температуры
600—700 °С и создает наиболее сильные деформации и напряжения
в футеровке, а затем начинает постепенно падать. Далее начинается
область температур, при которых шамотный кирпич проявляет
заметную способность к пластическим деформациям. При такой тем-
температуре кирпич уже не оказывает длительного упругого сопроти-
сопротивления силам, стремящимся его раздавить.
По мере разогрева кирпича степень подвижности связующей его
массы повышается и отдельные частицы становятся способными
к очень медленному, но все же заметному перемещению друг относи-
относительно друга. Если при этом кирпич подвергается длительному
давлению, то такие перемещения постепенно вызывают изменения
его формы, которая после снятия нагрузки не возвращается к пер-
первоначальному состоянию. Эти изменения увеличиваются по мере
повышения температуры и давления, которым подвергается кир-
кирпич, и того времени, в течение которого он находится в таких
условиях.
На рис. 10 приведена зависимость деформации одного и того же
кирпича под различной нагрузкой с длительной выдержкой при тем-
температуре 1350 °С, а на рис. 11 —зависимость деформации разных
кирпичей под нагрузкой с выдержкой при температуре 1350 °С.
103

Явление пластической деформации футеровки непременно должно
быть учтено при создании печей для обеспечения их прочности и про-
продолжительности эксплуатации, так как характер пластичности
огнеупорного материала определяет температуру, при которой тер-
термическое расширение достигает максимальной величины.
Растрескивание футеровки. Растрескивание фу-
футеровки называется явление образования трещин на поверхности
огнеупорных изделий и футеровки в целом, ведущее к отслаиванию
поверхностного слоя и вскрытию его. Растрескивание — серьезная
причина разрушения футеровки печи.
Растрескивание можно разделить на следующие три вида: терми-
термическое, механическое и структурное.
Термическое растрескивание представляет собой явление, возни-
возникающее в результате внутренних напряжений, вызываемых разли-
различием термического расширения зон футеровки при тепловых ударах
или при постоянном большом температурном градиенте. Например,
значительное разрушение динасовой футеровки при резком нагреве
ее с холодного состояния в процессе службы или при резком охла-
охлаждении до обычных температур. Футеровка вращающейся печи при
каждом обороте корпуса подвергается термическому воздействию
обжигаемого материала и печной среды. Эти воздействия имеют зна-
значительные температурные колебания. Вовремя контакта с газовой
средой при каждом обороте печи температура футеровки повышается,
а при контакте с обжигаемым материалом понижается. Амплитуда
колебаний температуры поверхности реакционного объема достигает
40—100 °С, а число их составляет 1400—1700 в сутки [321. Терми-
***
+-*
-»»
ч
\\
\
\
4
3
2
1
200 600 WOO 1350 1ч 2ч
*ш —
п
»-■—
ssss
400
800
Щ
N
\
4
3
2
1
12001350° 1ч 2 ч
Подъем Выдержка
температурьте при одной и той же
температуре
Подъем температуры, Выдержка
°q при одной и
той же температуре
Рис. 10. Зависимость деформации одного кирпича под различной нагрузкой с выдержкой
при температуре 1350 °С:
1 — 350 кПа; 2 — 210 кПа; 3 — 125 кПа: 4 — 28 кПа.
Рис. 1U Зависимость деформации различных кирпичей под одной нагрузкой с выдержкой
при температуре 1350 °С:
1—3 — шамотные кирпичи; 4 — силлиманитовый кирпич.
104

ческое растрескивание легко возникает в магнезитохромитовых
и магнезитовых изделиях. Огнеупорами, в которых легко возникает
термическое растрескивание, могут быть огнеупоры с небольшой стой-
стойкостью к тепловым ударам.
У огнеупора, в котором возникло термическое расширение в ре-
результате резкого нагрева, происходит скалывание углов изделия,
отслаивание, параллельное поверхности нагрева, или местное отслаи-
отслаивание. При резком охлаждении растрескивание выявляется в обра-
образовании трещин в направлении, перпендикулярном поверхности
нагрева изделия, причем растрескивание в большинстве случаев
не сопровождается отслаиванием.
При термическом растрескивании образуются трещины в резуль-
результате возникновения тепловых напряжений или происходит разруше-
разрушение футеровки при развитии этих трещин. Необходимо иметь в виду,
что стойкость к возникновению трещин отличается от стойкости к ее
развитию.
Возникающие тепловые напряжения изменяются в зависимости
от способов нагрева, охлаждения, величины и формы изделий.
Поэтому в зависимости от изменения этих условий меняется и коэф-
коэффициент устойчивости к образованию трещин при тепловых ударах.
Ниже приводятся типичные коэффициенты устойчивости к образова-
образованию трещин при тепловых ударах (Rx—/?4) [31 ].
При постоянной температуре газовой среды нагрев и охлаждение
футеровки осуществляются в результате поверхностной теплопровод-
теплопроводности.
В качестве показателя резкого нагрева и охлаждения (тепловых
ударов) можно применить критерии Био (Bi):
Bi = aS/KM
где 5 — определяющий размер образца, равный половине толщины, см; а — коэф-
коэффициент теплоотдачи от газов к поверхности образца, Вт/(см2-К); ^м—коэффи-
^м—коэффициент теплопроводности испытуемого материала, Вт/(см-К).
Применяемые формулы для коэффициента устойчивости разли-
различаются в зависимости от величины Bi.
Когда Bi = оо, т. е. когда S и а имеют большую величину, а
К — небольшую, Bi ^> 50. Так, например, практически при охла-
охлаждении водой при высоких температурах или при быстром проникно-
проникновении высокотемпературного расплавленного металла в огнеупор
с комнатной температурой
*i = <*р 0 - *№"')
Здесь о~р — предел прочности при растяжении, Па; jui — коэффициент Пуассона;
Е — модуль упругости, Па; а — коэффициент линейного расширения, К~ .
Эту формулу можно использовать также для сравнения устой-
устойчивости к растрескиванию образцов, имеющих обычно постоянное
распределение температуры (в этом случае величину Bi не прини-
принимают во внимание).
105

В том случае, когда величина Bi невелика (S и а имеют неболь-
небольшие величины, а А,м — достаточно большую, Bi< 0,5), например
при воздушном охлаждении после нагрева испытуемых керамических
образцов диаметром 1 см:
Яа = (Тр A — fi) kl(Ea!) = Ryk
где k — постоянная, зависящая от свойств огнеупора.
Последнюю формулу можно использовать также для сравнения
устойчивости к растрескиванию испытуемых образцов, когда они
контактируют с газовой средой с различной температурой для двух
поверхностей образца при постоянном распределении температуры.
При постоянных скоростях нагрева и охлаждения поверхности
образца
_
Еа' рс рс рс
где р — плотность, г/см3; с — удельная теплоемкость, Дж/(г-К)-
Если при нагреве излучением температура поверхности образца
в момент образования трещин значительно ниже температуры излу-
излучения, то
/ qp(l-ji)\74. 1 1 , 1 1
*' = \Г~Ш—) ' "Г=1Г + ^Г""
Здесь е — степень излучения; г1 — степень излучения при температуре поверх-
поверхности испытуемого образца; е2 — степень излучения от черной поверхности.
В условиях эксплуатации, когда практически невозможно избе-
избежать образования трещин под действием тепловых напряжений,
энергия упругой деформации, накопившаяся до момента образования
трещин, вызывает растрескивание. Следовательно, чем больше вели-
величина энергии упругой деформации и меньше величина энергии рас-
растрескивания, необходимая для образования трещин, тем больше по-
поверхность возможного растрескивания. В этом случае возникают
более длинные и глубокие трещины. Устойчивость к росту трещин
(Rd) вычисляют по формуле:
Rd = £"у/[ар A — И)]
где у — энергия растрескивания, Дж/см2.
Как следует из приведенных формул, основными свойствами,
влияющими на устойчивость к образованию трещин, являются терми-
термическое расширение а и величина деформации (ар A — ц>)/Е), коэф-
коэффициент теплопроводности Ям, плотность огнеупора р, удельная
теплоемкость с, прочность сгр и энергия растрескивания у.
Механическим растрескиванием футеровки называется образо-
образование трещин под действием механических усилий. Механическое
растрескивание можно разделить на три вида.
1. Растрескивание огнеупора в результате выделения из него
больших количеств образовавшегося пара при быстром нагреве влаж-
влажного огнеупора.
106

2. Скалывание нагретого конца кирпича футеровки. Чаще всего
оно происходит в футеровке свода. Внутренняя поверхность свода
нагревается до значительно более высоких температур по сравнению
с его наружной стороной, в результате чего происходит большое
одностороннее расширение изделий и деформация свода, концентри-
концентрирующаяся на сравнительно небольшой площади недалеко от рабочей
поверхности свода.
3. Растрескивание футеровки под напряжением, возникающим
вследствие отсутствия возможности термического расширения футе-
футеровки.
Для предотвращения механического растрескивания при нагреве
влажной футеровки необходим постепенный подъем температуры,
особенно в начальный период ее службы (при пуске печи).
При нагреве со стороны рабочей поверхности футеровки стен и
свода печей в изделиях возникает градиент температур, вследствие
чего рабочий слой футеровки расширяется более сильно, чем слой
за ним. Рабочий слой, в котором происходит максимальное расшире-
расширение, разрушается под действием возникающего напряжения, по-
поскольку он воспринимает максимальное давление, превышающее
предел его прочности при сжатии. Причинами такого растрескивания
изделий в основном являются высокий коэффициент термического
расширения изделий, большие усилия, воспринимаемые футеровкой
свода, и резкое изменение градиента температур при быстром нагреве.
Поэтому для предотвращения скалывания необходимо использова-
использование изделий с небольшим коэффициентом термического расширения
и осуществление постепенного повышения температуры футеровки.
При повышении температуры свода необходимо ослаблять стяги-
стягивающие свод усилия, создаваемые внешними устройствами.
Нельзя допускать быстрого повышения давления на углы замко-
замкового кирпича при повышении температуры, придавая ему конусность
в рабочем слое футеровки.
Температурный градиент в футеровке уменьшает теплоизоляция
со стороны охлаждения.
Конструкция футеровки печи всегда должна иметь температур-
температурные швы для исключения возникновения напряжений при терми-
термическом расширении огнеупора. Необходимо избегать компенсации
термического расширения футеровки за счет прокладок и огнеупор-
огнеупорных материалов, обладающих большой упругостью.
Структурным растрескиванием футеровки называется явление
изменения химического состава и физических свойств огнеупора
при воздействии высоких температур, расплавов металлов и печной
среды. Оно подразделяется на два вида: 1) растрескивание из-за
усадки футеровки в результате образования метаморфизованного
слоя; б) растрескивание из-за разбухания футеровки.
Структурное растрескивание возникает при проникновении в огне-
огнеупоры расплавленных металла и шлака, а также пыли, контакти-
контактирующих с рабочим слоем футеровки в условиях высоких температур.
Под их действием в рабочем слое футеровки образуется метаморфи-
зованный слой, который в основном находится в расплавленном
107

состоянии, в результате чего происходит усадка и сопровождающее
ее растрескивание. Растрескивание происходит также в результате
разности термического расширения слоев футеровки, претерпевших
изменения, и слоев еще неизменившихся. Структурное растрески-
растрескивание является в большинстве случаев главной причиной разрушения
футеровки при применении в высокотемпературных печах основных
огнеупорных изделий. Специфическая особенность структурного
расширения заключается в постепенном обрушении футеровки
при толщине метаморфизованного слоя, достигшей 20—50 мм. Это
всегда необходимо учитывать и предпринимать соответствующие
меры. Подобные растрескивание и обрушение футеровки называют
также трещиноватостью, шелушением и скалыванием.
Структурное растрескивание неизбежно связано с температур-
температурным градиентом, существующим в большинстве случаев в огнеупоре.
Расплавы, содержащиеся в огнеупорах, перемещаются вследствие
разности температур. Таким способом большое количество жидкости,
возникающее в рабочем слое футеровки, движется по капиллярным
каналам изделий. Жидкая фаза, включающая компоненты, посту-
поступившие из расплавленного металла и шлака, проникает по порам
изделия и арматурного слоя, оплавляют изделия и насыщают их.
Сквозь рабочий слой проникают все новые порции расплава, всту-
вступающие в реакцию с изделиями, и насыщают их. Необходимо обра-
обращать внимание на скорость перемещения ионов, зависящую от их
вида. Можно считать, что оксиды Al, Ti, Ca, Fe проникают незави-
независимо.
При нагреве на поверхности рабочей камеры образуется расплав.
В том случае, когда проникновение шлака происходит через поверх-
поверхность изделия, количество расплава в огнеупоре увеличивается и под
влиянием сил поверхностного натяжения возникает его усадка.
Температура на нагреваемой поверхности рабочей камеры всегда
выше, чем внутри, поэтому увеличивается термическое расширение
рабочего слоя, и изделия футеровки начинают воспринимать попереч-
поперечные усилия. В результате влияния всех перечисленных факторов
возникает структурное растрескивание; трещины образуются на
границе метаморфизованного слоя и затем развиваются в глубь
огнеупора.
Скорости возникновения структурного растрескивания шамотных
и высокоглиноземистых изделий значительно отличаются в зависи-
зависимости от использованного при их изготовлении сырья и способа
кладки. Обычно наиболее легко структурное растрескивание возни-
возникает в футеровках, в которых применяют шамотные изделия с высо-
высокой дополнительной усадкой или с высоким коэффициентом газо-
газопроницаемости, или с большим содержанием окислов железа и ти-
титана.
Структурное растрескивание встречается редко у динасовых
и полукислых изделий. Это объясняется тем, что образующийся при
эксплуатации на поверхности изделий расплав обладает высокой
вязкостью, вследствие чего проникновение его в изделие затруд-
затрудняется.
108

Разбухание огнеупора также является разновидностью структур-
структурного растрескивания.
Огнеупорные изделия, содержащие хромиты, при эксплуатации
в условиях высоких температур значительно увеличиваются в объеме
в результате насыщения их оксидами железа и отслаиваются. Это
явление называют разрушением в результате разбухания, которое
прямо пропорционально содержанию хромитов. В таких огнеупорах
помимо разбухания обычно наблюдается значительное структурное
растрескивание в результате их насыщения силикатами и известью.
У магнезитовых изделий структурное растрескивание возникает
в результате их насыщения кремнеземом и известью, однако при
поглощении кремнезема образуется форстерит, вследствие чего
происходит расширение метаморфизованного слоя и отслаивание
тонкой пленкой. Шамотные и высокоглиноземистые изделия, приме-
применяемые для футеровки стекловаренных и нагревательных печей,
поглощают щелочи, в результате чего происходит увеличение объема
при образовании нефелина и разрыв огнеупора.
Для значительного снижения структурного растрескивания про-
производят охлаждение наружного слоя футеровки, чем достигают
уменьшения толщины метаморфизованного слоя.
Механическая стойкость футеровки. Под механической стой-
стойкостью футеровки печи понимается ее способность противостоять
различным-механическим воздействиям с сохранением в течение дли-
длительного времени строительной прочности и первоначальных геоме-
геометрических форм рабочей камеры. К механическим воздействиям на
футеровку при высоких температурах относятся: сдвиг, опрокиды-
опрокидывание, изгиб, скручивание, истирание, удары, вибрация, растяже-
растяжение, сжатие и т. д.
Сдвиг — деформация футеровки рабочей камеры, вызванная
скольжением одного огнеупорного кирпича по другому из-за давле-
давления на них исходных материалов, полученных продуктов и печной
среды. Сопротивление сдвигу огнеупорных изделий зависит от сов-
совместного действия сцепления связующего раствора кирпича друг
к другу, величины прижимающих сил и температуры в рабочей
камере.
Опрокидывание — падение вертикальной стены в результате раз-
разрыва футеровки при приложении на нее горизонтальных и верти-
вертикальных сил. Однако если равнодействующая этих сил проходит
внутри средней трети основания футеровки стены, то никаких растя-
растягивающих напряжений в ней не возникает. В этом случае ее устой-
устойчивость будет вполне обеспечена.
Напряжения в футеровке вертикальной стены, вызванные ее
массой, возникают из-за неравномерности прогрева, что обусловли-
обусловливает перегиб стены с вогнутостью в сторону высокой температуры,
Происходит смещение центра тяжести в направлении более раска-
раскаленной поверхности, что в конечном счете приводит к обрушению
стены.
В зависимости от конструкции печи и ее назначения нагрузки,
усилия и температуры различны. Например, футеровка вращающейся
109

цементной печи в результате вращения корпуса подвергается дефор-
деформации поперечного и продольного изгиба, вибрации, появляется
скручивание при пуске и остановке печи. Футеровка испытывает
также значительные знакопеременные механические напряжения
сжатия, растяжения и изгиба.
Исследованиями установлено, что каждая точка на корпусе
печи при ее вращении отклоняется в обе стороны от действительной
круговой линии до шести раз при одном обороте печи. Эти отклонения
на участках бандажей могут достигнуть 10—12 мм [32].
Истирание футеровки рабочей камеры печи является следствием
непосредственного воздействия передвигающихся в печи твердых
исходных материалов и полученных продуктов, а также газовой
печной среды с твердыми частицами. Истирание футеровки происхо-
происходит различно в зависимости от физических свойств движущихся
материалов, температуры в зоне рабочей камеры и свойств огнеупор-
огнеупорных изделий.
Свойствами, обеспечивающими высокую износостойкость огне-
огнеупорных изделий, являются низкая пористость и высокий предел
прочности при сжатии и изгибе.
Физические воздействия на футеровку печи« Физические
взаимодействия между расплавом металла и материалом футе-
футеровки заключаются в том, что расплавы проникают во внутрен-
внутренние слои огнеупорной футеровки. Этот процесс существенно зависит
от смачиваемости огнеупорного материала расплавленным металлом.
Пропитанные жидким металлом футеровочные материалы обладают
плохими теплоизоляционными свойствами и характеризуются малым
сроком службы.
Большой проникающей способностью обладает свинец, оказывая
пагубное действие на футеровку индукционных канальных печей
при плавке свинцовых и оловосвинцовых бронз. Находясь в бронзах
в элементарном состоянии, он хорошо смачивает футеровку и про-
пропитывает почти всю толщу огнеупорной массы до слоев, где темпера-
температура ниже температуры кристаллизации эвтектики (около 326 °С).
Металлизация приводит к резкому возрастанию потерь теплоты;
кроме того, периферийные слои футеровки теряют пластичность, что
обусловливает появление глубоких трещин и резкое сокращение
срока службы футеровки.
Влияние конструкции футеровки на ее стойкость. Существенное
влияние на стойкость футеровки электроплавильных печей оказывает
геометрическая форма рабочей камеры. Например, в результате
увеличения угла наклона стен рабочей камеры с 7 до 20° стойкость
футеровки сорокатонных печей увеличилась в три раза [29]. Приме-
Применение ступенчатых кожухов, расширяющихся кверху, вместо цилин-
цилиндрических также способствует повышению стойкости футеровки стен.
Это обусловлено удалением футеровки печи от непосредственного
воздействия дуг, а также контактом с менее нагретым металлом
и шлаком.
Для тигельных печей объем рабочей камеры оказывает существен-
существенное влияние на ее стойкость. Чем больше объем тигля, тем с большей
110

силой проявляются разрушающие факторы из-за пропорционально
увеличивающихся внутренних напряжений.
Установлено, что геометрическая форма внутреннего объема
тигля также оказывает существенное влияние на его стойкость.
Тигель конической формы обеспечивает количество законченных
плавок, вдвое большее, чем цилиндрический. Наилучшим отно-
отношением высоты к среднему внутреннему диаметру тигля является
2: 1.
Влияние режима эксплуатации печи на стойкость футеровки.
Влияние ведения технологического про-
процесса. На стойкость футеровки электроплавильных печей суще-
существенное влияние оказывают следующие факторы проведения про-
процесса плавки: 1) температура металла и шлака в линии контакта
с огнеупорными материалами; 2) длительность выдержки при тем-
температуре, превышающей температуру плавления легкоплавких эвтек-
тик, образующихся с реагентами плавки; 3) состав металла и шлака,
контактирующих с огнеупорами, длительность их контакта при тем-
температуре выше температуры начала эрозии огнеупора шлаками;
4) длительность продувки ванны кислородом, обусловливающая
повышение температуры расплавленных реагентов в контакте с футе-
футеровкой и концентрации плавильной пыли в газовой среде; 5) обра-
образование гарнисажа на футеровке стен в процессе выплавки стали;
6) периодичность плавки (чем выше интервал между плавками, тем
сильнее оказываются термические напряжения).
Влияние электрического режима плавки.
Стойкость футеровки стен, как и стойкость сводов электрических
печей, снижается с увеличением вместимости печи. На большегруз-
большегрузных печах усиливается явление «дикой» фазы, связанное с выделе-
выделением различной мощности на электродах при пропускании тока
одинаковой силы — на одном из электродов выделяется максималь-
максимальная мощность («дикая» фаза), на другом — минимальная («мертвая»
фаза) и на третьем — промежуточная мощность, часто близкая к ма-
максимальной.
Это обусловливает усиленный местный износ футеровки. При
значительной степени износа, когда на контакте с областями макси-
максимально нагретых металла и шлака образуются трудно поддающиеся
заправке «ямы», происходит обрушение расположенных выше мало-
малоизношенных участков стен.
С увеличением мощности печи повышаются тепловая нагрузка
на стены и продолжительность выдержки их при высокой темпера-
температуре, что приводит к увеличению протяженности зон изменения со-
состава и износа крупными сколами.
Изменение состава огнеупорных материалов в процессе эксплуа-
эксплуатации. Огнеупорные материалы при взаимодействии с плавильной
пылью и шлаками в условиях высоких температур при наличии зна-
значительного градиента температур и газопеременной печной среды
приобретают зональное строение. Химический и минералогический
состав зон, а также их структура зависят от состава действующих
реагентов. Например, в магнезитохромитовых изделиях, выбранных
Ш

ТАБЛИЦА 4. Изменение химического состава магнезитохромитового кирпича
по зонам службы в сводах электропечей (в %)
Зона
Рабочая
Переходная
Рыхлая
Малоизмененная
Зона
Рабочая
Переходная
Рыхлая
Малоизмененная
SiO2
1—3
2—5
5—8
3-5
А12О3 + TiO2
1—4
3—7
0,5—4
4—7
MgO
25-62
58—72
64—71
67
Fe2O,
19—35
1,5-5,0
5—9
3-8
MnO
0,3—1,0
0,3—0,5
0-0,4
Следы
FeO
6-44
5—10
2-3
1—5
Cr2O3
1-6
6-9
8-12
11—13
CaO
1—4
1,5-5
1—4
1-2
R2O
0,1—2,0
0,2-0,6
0-0,12
из сводов, можно выделить четыре зоны, различающиеся по химиче-
химическому составу — рабочая, переходная, рыхлая и малоизмененная
(табл. 4) [29].
Анализ химического состава многочисленных проб огнеупоров
позволил установить: 1) высокую концентрацию оксидов железа
в рабочей зоне футеровки, работающей выше шлакового пояса;
2) наличие оксида железа (II) на протяжении всей длины кирпича
в толщине свода, что свидетельствует о прохождении потоков восста-
восстановительной активности газовой среды; 3) отсутствие или незначи-
незначительное содержание оксидов железа в рабочих зонах огнеупоров
из шлакового пояса и находящихся в контакте с жидким металлом;
4) миграцию окислов, способных образовывать силикаты, во вторую
зону кирпича в футеровке выше шлакового пояса; 5) проникновение
силикатообразующих оксидов на всю глубину огнеупора в футеровке
шлакового пояса [29].
Глава 6
РЕЖИМЫ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ ПЕЧНОЙ СИСТЕМЫ
Печь как основное термотехнологическое устройство является
звеном в технологических линиях промышленного производства
заданных продуктов, поэтому режим ее работы определяется соот-
соответствующим регламентом. В нем устанавливается количество,
качество, химический состав, физические и химические свойства,
гранулометрический состав и другие данные исходных материалов;
температура и давление процесса, а также прочие требования к полу-
получаемым продуктам.
112

Под понятием «режимы функционирования печной системы»
имеется ввиду комплекс оптимальных условий, которые необходимо
создать в рабочей камере печи для осуществления основных регла-
регламентных технологических режимов применительно к принятой кон-
конструкции печи с заданным видом энергии. Соблюдение режимов
функционирования позволит получать целевые и побочные продукты
заданных количества и качества или полностью обезвредить веще-
вещества, загрязняющие окружающую среду, максимально подавлять
сопутствующие процессы (с обеспечением безопасности обслужи-
обслуживающего персонала) при наибольшей экономической и экологиче-
экологической эффективности.
Режимы функционирования печной системы включают в себя:
1) временной режим; 2) температурный режим; 3) электрический
режим; 4) гидравлический режим; 5) режим печной среды.
Временной режим. По характеру течения во времени термотехно-
термотехнологические процессы, осуществляемые в печах, подразделяются на
периодические (прерывные) и непрерывные.
Периодическими называются термотехнологические процессы, в ко-
которых порция исходных материалов загружается в печь, претерпевает
ряд физико-химических превращений, затем все образовавшиеся
•продукты выгружаются. Время процесса складывается из 1) времени
загрузки исходных материалов в печь; 2) времени протекания термо-
термотехнологических процессов, включающего время нагрева исходных
материалов до температуры, при которой осуществляются физические,
химические и коллоидные превращения, а также время охлаждения
получаемого продукта до заданной температуры; 3) времени вы-
выгрузки продукта.
Таким образом, главным признаком периодического процесса
является прерывание хода термотехнологического процесса, а затем
периодическое повторение всех процессов.
Процесс, который проводится периодически, является неуста-
неустановившимся, так как в печи в течение всего периода изменяются
температура, давление, концентрации реагирующих веществ, хими-
химический состав и т. д.
Периодические процессы в химических печах применяют для полу-
получения малотоннажных продуктов, из-за простоты конструкции печей
(тигельные печи для получения специальных сортов стекла, светя-
светящихся пигментов, ультрамарина и т. д.), а также когда невозможно
при данном уровне технического развития непрерывное получение
целевого продукта (сталь, медь, кокс и т. п.).
Непрерывными называют процессы, в которых ход термотехно-
термотехнологического процесса не прерывается. При непрерывном термотех-
термотехнологическом процессе могут быть следующие режимы загрузки
и выгрузки: 1) загрузка и выгрузка непрерывные (печи для сжигания
серы, для обжига колчедана, получения печной сажи, синильной
кислоты, соды и т. д.); 2) загрузка непрерывная, а выгрузка периоди-
периодическая (доменная печь и т. п.); 3) загрузка периодическая, а вы-
выгрузка непрерывная (шахтные печи для обжига извести, фосфорита,
сидерита; ретортные печи для обжига антрацита и т. д.); 4) загрузка
ИЗ

и выгрузка прерывные, т. е. систематическими порциями (туннель-
(туннельные печи, где выгружается, а затем загружается одна вагонетка,
и т. д.).
Режим загрузки и выгрузки печи должен быть строго выдержан,
поскольку он определяет ход термотехнологических процессов,
а также количества загружаемого в печи метериала и выгружаемого
продукта.
Непрерывные термотехнологические процессы предусматривают
установившиеся режимы в контролируемых точках замеров, где
параметры не меняются во времени, но меняются по месторасполо-
месторасположению (по высоте или длине печи).
При непрерывном процессе используется понятие «условное
время пребывания реагентов в рабочем объеме печи».
Под понятием «рабочий объем печи» понимается только тот объем,
который заполнен исходными материалами и получаемыми продук-
продуктами (например, в печах с вращающимся барабаном рабочий объем
составляет только до 15 % в.сего объема).
Температурный режим печной системы — это установленная
последовательность изменения температуры ее элементов во времени
или по длине печи. Графическое изображение температурного режима
принято называть профилем температур. В печной системе, соответ-
соответственно числу ее элементов, возможны следующие три температур-
температурных режима: 1) исходных материалов и полученных продуктов;
2) печной среды; 3) футеровки.
Температурный режим исходных материалов и полученных про-
продуктов является определяющим по отношению к другим. Создание
и строгое соблюдение этого режима является одним из главных усло-
условий нормального протекания целенаправленных превращений исход-
исходных материалов и полученных продуктов. Температурный режим
исходных материалов и полученных продуктов создается за счет
температурных режимов печной среды, футеровки или их совокуп-
совокупности. В процессах сжигания горючих исходных материалов темпе-
температурный режим в них создается и регулируется расходом окисли-
окислителя, а при его недостаточности — введением газовой печной среды,
а также интенсивным теплоотводом через футеровку.
Температурный режим печной среды определяется тепловыми
состояниями ее газовой, жидкой и твердой фаз, зависящими от ре-
режима сжигания топлива, теплопередачи через футеровку муфельных
печей. Им характеризуется протекание печных процессов. Печная
среда может быть как теплоносителем (энергетической базой термо-
термотехнологических процессов), так и охладителем.
Одной из функций печной среды является создание необходимого
и стабильного температурного режима футеровки рабочей камеры
печи, исходных материалов и полученных продуктов за счет физиче-
физических, химических, теплотехнических и механических процессов
и конструктивных приемов.
Температурный режим футеровки рабочей камеры печи создается
печной средой, теплотой, передаваемой или отнимаемой через футе-
футеровку, исходными материалами и полученными продуктами или кон-
114

струкцией футеровки. Задачай футеровки является участие в созда-
нии и стабилизации температурных режимов других элементов печной
системы.
Из рассмотренного выше очевидна взаимная связь и зависимость
между температурными режимами элементов печной системы.
Получение целевых продуктов в печах должно всегда осущест-
осуществляться при оптимальных температурных режимах. Под этим терми-
термином понимается такая совокупность температуры элементов печной
системы и времени взаимодействия между ними, которая обеспечивает
в данной конструкции печи максимальную'производительность по
целевому продукту с наибольшим подавлением сопутствующих
процессов и с наибольшей экономической и экологической эффек-
эффективностью.
Так как температурный режим является совокупностью только
температуры и времени, то необходимо рассмотрение как раздель-
раздельного, так и совместного влияния их на печные процессы.
Разность температуры в элементах печной системы и внутри
каждого из них является в печах главной движущей силой, приводя-
приводящей их к различным превращениям и процессам. Температура ока-
оказывает сильное влияние на скорость химических реакций, степень
превращения, селективность и т. д., однако это влияние неодинаково
для различных видов термотехнологических процессов и типов реак-
реакций.
Температура осуществления непосредственного физического пре-
превращения исходных материалов и полученных продуктов различна
в зависимости от их вида. Такие процессы, как плавление, испаре-
испарение, конденсация, нагрев для термообработки с внепечным охлажде-
охлаждением и др., осуществляются при постоянной температуре. Печная
термообработка проводится по определенному и заданному профилю
температур. Температура нагрева массивных металлических заго-
заготовок для последующей обработки давлением непостоянна, и про-
процесс заканчивается с заданной разностью температур между поверх-
поверхностью и центром.
Температуры осуществления для всех физических превращений
исходных материалов и полученных продуктов определены с требуе-
требуемой точностью и должны строго выдерживаться.
Химические превращения в элементах печной системы протекают
при постоянной температуре (изотермический температурный режим)
или в интервале температур (политермический режим). Более или
менее полное приближение к изотермичности слоя материала может
быть достигнуто при непрерывной компенсации теплового эффекта
реакции, малых тепловых эффектах реакции и высокой теплопровод-
теплопроводности реагентов, перемешивании теплоносителя и исходных мате-
материалов. В печах кипящего слоя температурный режим близок к изо-
изотермическому.
Рациональные температуры осуществления превращений эле-
элементов печной системы находятся из их термодинамического анализа,
теплофизических свойств или экспериментально. Однако при уста-
установлении температурных режимов элементов печной системы учи-
115

тывают изменения их фазовых состояний, параметры печной среды
(вязкость, температуру на выходе из печи и т. д.) и стойкость футе-
футеровки и др.
Влияние температуры на протекание химических процессов зави-
зависит от типа реакций. В необратимых реакциях при достижении опре-
определенного температурного интервала скорость реакций начинает
прогрессивно возрастать и приводит к полному превращению реаген-
реагентов. В области высоких степеней превращения скорость снова сни-
снижается вследствие уменьшения концентрации основного реагента.
Увеличение времени пребывания исходных материалов в рабочей
камере печи позволяет при данной температуре обеспечить более
высокую степень превращения.
Протекание экзотермических обратимых реакций характеризуется
наличием оптимальной температуры, соответствующей максималь-
максимальному выходу целевого продукта. Поэтому на участках печи, где
реагенты далеки от состояния химического равновесия, т. е. в начале
процесса, целесообразно создавать высокую температуру, а в конце,
когда получающиеся продукты приближаются к равновесному со-
состоянию, температура должна быть пониженной, чтобы сдвинуть
процесс в сторону более полного превращения исходных материалов.
Температура, оказывая большое положительное влияние на ско-
скорость и другие показатели протекания термотехнологических про-
процессов, вместе с тем оказывает на них и следующие отрицательные
влияния: 1) увеличение потерь целевого продукта вследствие его
испарения; 2) снижение прочности и химической стойкости исход-
исходных материалов и полученных продуктов; 3) уменьшение степени
превращения реагентов в обратимых экзотермических реакциях;
4) возможное снижение селективности сложных реакций.
Время температурного воздействия между элементами печной
системы и внутри них является важнейшим фактором, влияющим на
производительность печей, качество получаемого целевого про-
продукта, степень превращения реагентов, селективность, расход энер-
энергии и экономическую эффективность печного способа получения про-
продуктов. Оно является определяющим по отношению к другим эле-
элементам печной системы, различно для разных термотехнологических
процессов и зависит от следующих факторов: 1) химического состава
и физических свойств массы, размеров и геометрических форм исход-
исходных материалов и полученных продуктов; 2) условий теплопередачи,
тепловых напряжений в рабочей камере и скорости движения тепло-
теплоносителя; 3) допустимой скорости подъема температур элементов
печной системы без разрушения; 4) механических процессов в печи;
5) формы укладки изделий в рабочей камере; 6) конфигурации печи
(конфигурация свода, расположение газовых каналов в футеровке,
угол наклона газогорелочных устройств) и т. д. Эти же факторы
влияют на продолжительность температурного воздействия на эле-
элементы печной системы и при протекании химических термотехноло-
термотехнологических процессов.Общее время температурного воздействия:
т-об — T-пр ~г т-осн ~г Т-зав
116

гАе ^пр— время протекания подготовительного этапа к целевому процессу; тосн —
время протекания основного этапа (термотехнологического процесса); тзав — время
протекания завершающего этана (охлаждения полученных продуктов)..
Время температурного воздействия на исходные материалы и
полученные продукты при осуществлении химических термотехно-
термотехнологических процессов находится в зависимости от следующих факто-
факторов: 1) химического состава и диапазона его изменения; 2) физиче-
физических и химических свойств; 3) характеристик печной среды (катали-
(катализаторы); 4) давления; 5) требуемой степени превращения в заданный
продукт; 6) заданного качества полученных продуктов; 7) грануло-
гранулометрического состава исходных метериалов; 8) требуемой прочности
полученного продукта; 9) способов подавления сопутствующих про-
процессов; 10) конструкции печи и т. д.
Времена температурного воздействия печной среды и футеровки
должны полностью соответствовать обеспечению протекания термо-
термотехнологических процессов.
Теоретическое определение точного времени температурного воз-
воздействия между элементами печной системы и внутри каждого из
них в реальных промышленных печах в настоящее время невозможно
из-за множества различных факторов и возмущений, влияющих на
их продолжительность. Однако при введении некоторых допущений,
упрощений, дополнительных краевых условий и практических
данных и т. д. возможно определение приближенного времени темпе-
температурного воздействия между элементами печной системы и внутри
них, которое может быть заложено в проекте при разработке про-
профиля температур и подлежат обязательной последующей экспери-
экспериментальной проверке.
Электрический режим печи. Под понятием «электрический режим
печи» подразумевается обеспечение заданной вольтамперной харак-
характеристики для выделения необходимой теплоты с целью создания
заданной температуры и теплового режима, которые в свою очередь
обеспечивают заданную производительность печи по целевому про-
продукту и его качество с минимальным удельным расходом электро-
электроэнергии.
Максимальная степень стабильности термотехнологического про-
процесса обеспечивается соблюдением специального графика электри-
электрического режима процесса.
Гидравлический режим в печах характеризуется давлением и осо-
особенностями движения газовой фазы в объеме рабочей камере печи.
Главкой целью установления определенного гидравлического режима
в объеме рабочей камеры печи является создание оптимальных усло-
условий для перемещения газовой печной среды через исходные мате-
материалы и полученные продукты, при которых обеспечивается нормаль-
нормальный режим протекания термотехнологических и теплотехнических
процессов.
Создание вакуума (давление Ы0-4 Па) в печи позволяет осу-
щестЕлять термотехнологические процессы, которые не могут проте-
протекать при других условиях (например, рафинирование алюминиевых
сплавов, плавка хромистой бронзы и т. д.). Создание псевдоожижен-
117

ного состояния сыпучих исходных материалов, полученных продук-
продуктов или инертных сред обеспечивает осуществление ряда термотех-
термотехнологических процессов при изотермическом температурном режиме.
Создание режима, исключающего подсос холодного воздуха в печь
или выбивание из него раскаленных газов, влияет на качество полу-
получаемого продукта, энергопотребление и на безопасность персонала,
обслуживающего печь.
Давление в печи оказывает влияние также на скорость протека-
протекания химических реакций, что отражается на производительности
печи.
Гидравлический режим в объеме рабочей камеры печи создается
тягодутьевыми средствами (вентиляторы, дымососы, компрессоры,
дымовые трубы и т. д.) или возникает естественно, как неизбежное
явление при протекании некоторых химических превращений исход-
исходных материалов, за счет газов, выделяющихся или образующихся
при процессах возгонки желтого фосфора в руднотермических печах,
обжига антрацита в ретортных печах, сжигания исходных горючих
материалов, а также из-за различия плотностей газов с различной
температурой и т. д.
Профиль давлений, т. е. графическое изображение величины дав-
давления по принятым контрольным точкам в объеме рабочей камеры,
различен и зависит от вида термотехнологических процессов и кон-
конструкции печи, в которой они осуществляются. По своему значению
давление может быть больше, равно или меньше атмосферного.
Контрольными точками служат подсводовое пространство, вход
в печь или выход из нее, активные реакционные зоны, подвагонеточ-
ные пространства, область под решеткой, надслоевое пространство,
топочные камеры и т. д.
На гидравлический режим серьезное влияние оказывают кон-
конструктивные особенности: размещение газоходов в футеровке рабочей
камеры, их размеры и количество.
При разработке печной системы, выборе оборудования, конструк-
конструктивных и аэродинамических приемов принимаются расчетные данные
ожидаемых гидравлических сопротивлений, а также данные практики,
которые закладываются в проект. Однако после наладки всех режи-
режимов и получении целевых продуктов в опытно-промышленных усло-
условиях и их исследовании устанавливаются окончательные гидравли-
гидравлические режимы, соблюдение которых обязательно как непременное
условие для осуществления термотехнологических и теплотехниче-
теплотехнических процессов.
Одним из важных требований при проектировании печного ком-
комплекса является возможность регулирования гидравлического ре-
режима в печи за счет задвижек, заслонок, шиберов и газовых клапанов
в боровах.
Режим печной среды. Под понятием «режим печной среды» под-
подразумевается создание заданной газовой, жидкой и твердой среды,
окружающей исходные материалы и получаемые продукты.
Режим газовой среды в рабочей камере печи включает в себя созда-
создание заданного профиля температур,химической активности газовой
118

среды (восстановительный, нейтральный, окислительный) и задан-
заданного гидравлического режима.
Режим жидкой среды печи включает в себя шлаковый режим,
обеспечивающий интенсивную теплоотдачу от пламени к поверхности
расплава, ввод необходимых газов,предотвращение попадания в ра-
рабочую камеру газов, ухудшающих качество получаемого продукта,
обеспечение нужной вязкости веществ, жидкотекучести шлака для
вывода его из ванны печи, соблюдение слива шлака в установленные
сроки и т. д.
Режим твердой среды в реакторе печи включает в себя создание
и поддержание определенного количества катализатора, инертного
заполнителя, пыли и других веществ, своевременную замену отра-
отравленных катализаторов, обеспечение их заданной температуры и т. д.
Глава 7
ПУТИ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПЕЧНЫХ КОМПЛЕКСОВ
Оптимизация печных процессов
Оптимизация печных процессов — это целенаправленная дея-
деятельность по созданию между элементами печной системы и внутри
каждого из них наилучших условий для протекания основных печ-
печных процессов с получением целевых продуктов заданного коли-
количества, качества и свойства, с минимальными материальными и энер-
энергетическими затратами, при высокой экономической и экологиче-
экологической эффективности, со сведением до минимума протекания нежела-
нежелательных сопутствующих печных процессов.
Оптимизация предполагает глубокое понимание сущности печ-
печного процесса и его экономики. Теоретической базой оптимизации
печных процессов является рассмотрение их осуществления в стро-
строгом соответствии с принципами системной теории печей.
Оптимизация печных процессов должна осуществляться в три
этапа: 1) проектирование оптимальных печных систем; 2) разра-
разработка оптимальных конструкций печей и всего печного комплекса;
3) эксплуатация печных комплексов при оптимальных режимах.
Проектирование оптимальных печных систем включает в себя
оптимизацию осуществления термотехнологических процессов,
средств обеспечения протекания печных процессов, управления
осуществлением печных процессов и средствами их обеспечения.
Оптимизация термотехнологических процессов — достигается
только при одновременном и совместном рассмотрении проблем тео-
теоретической возможности оптимизации рассматриваемых термотех-
термотехнологических процессов и практической осуществимости их в печах
конкретного конструктивного типа.
Оптимизация предусматривает создание в рабочей камере наи-
наилучших физических (термических, гидрогазодинамических, механи-
механических и др.) и химических состояний, соответствующих требова-
требованиям протекания термотехнологических процессов с наилучшими
выходными показателями.
119

Оптимизация средств обеспечения осуществления печных про-
процессов — это бесперебойное, полное, надежное регулирование и авто-
автоматизированное снабжение всем необходимым для протекания термо-
термотехнологических процессов и удаления из печи полученных продук-
продуктов и отходов.
Оптимизация управления осуществлением печных процессов
и средствами обеспечения их — это возможность оптимального
управления протеканием основных печных процессов при нарушении
режимов работы или изменении отдельных ее параметров.
Для решения задач оптимизации основных печных процессов
необходимо располагать свободой выбора значений некоторых их
параметров, а печная система должна обладать определенными сте-
степенями свободы — управляющими воздействиями,которые позволят
изменить ее состояние в соответствии с возникшими требованиями.
Необходима также количественная оценка интересующего показа-
показателя печного процесса для сравнения эффекта от выбора тех или иных
управляющих воздействий.
Для этих целей необходимы критерии оценки оптимальных печ-
печных процессов и комплексов.
В "соответствии с системной теорией печей может быть рекомен-
рекомендовано два критерия: термотехнологический критерий оценки опти-
оптимальности печного процесса Кт и энергетический критерий Кэ-
Термотехнологический критерий оценки оптимальности печного
процесса может быть выражен уравнением:
Кт = <VGT
где GT — теоретическое, расчетное или экспериментальное количество целевого
продукта, которое может быть получено; вф — фактическое количество полученного
целевого продукта.
Энергетический критерий оценки оптимальности печного процесса
может быть выражен уравнением:
Кэ =
где (?т — теоретический, расчетный или экспериментальный расход энергии для про-
проведения печного процесса (печным комплексом), необходимый для получения целе-
целевого продукта; <?ф — фактический расход энергии, затраченный в печном процессе
(печным комплексом) на получение целевого продукта.
Энергетический критерий оценки оптимальности печного про-
процесса учитывает затраты энергии только на его непосредственное
осуществление. Критерий не учитывает потребление энергии сред-
средствами обеспечения печного процесса, а также использование вто-
вторичных энергетических ресурсов (ВЭР). Наиболее показательным
может быть применение суммарного энергетического критерия оценки
оптимальности всего печного комплекса, учитывающего все потре-
потребители энергии и уровень использования ВЭР.
Пути оптимизации основных печных процессов различны в зави-
зависимости от вида осуществляемых термотехпологических, теплотех-
теплотехнических, механических процессов и конструктивного типа печи.
Некоторые рекомендации, которые могут быть реализованы для
повышения критериев оптимальности, приводятся ниже,
120

Термотехнологические приемы: 1) максимальное приближение
протекания целевых термотехнологических процессов к оптималь-
оптимальным; 2) применение исходного рудного сырья оптимального грану-
гранулометрического состава; 3) обезвоживание массивных влажных садок
охлаждением после предварительного нагрева; 4) накладывание
протекания одного процесса на другой (например, одновременный
нагрев в глубину с охлаждением поверхности массивных садок);
5) раздельное (в отдельных рабочих камерах) осуществление термо-
термотехнологических процессов с различными температурными режи-
режимами, создание в них автономных систем теплообмена; 6) гидравли-
гидравлическое разделение термотехнологических зон нагрева и охлаждения
в шахтных печах за счет устройства разделительных каналов в футе-
футеровке, которые исключают переток газовой печной среды из одной
зоны в другую; 7) максимальное подавление протекания нежела-
нежелательных сопутствующих печных процессов; 8) полное автоматизи-
автоматизированное управление печными процессами и т. д.
Теплотехнические приемы: 1) правильный выбор вида теплогене-
рации и типа теплогенератора; 2) выбор оптимального количества
газовых и мазутных теплогенераторов с наиболее рациональной
формой и направлением пламени и их месторасположения в рабочей
камере; 3) использование кислородного и обогащенного кислородом
дутья в качестве окислителя горючих материалов; 4) рациональное
использование теплоты сильно экзотермических реакций; 5) нагрев
исходных материалов на подготовительном этапе при максимально
допустимых температурах до достижения равновесного состояния;
6) увеличение времени пребывания теплоносителя .в активной зоне
за счет создания закрученного потока; 7) применение рециркуляции
газового теплоносителя; 8) использование нагретых газов из зоны
охлаждения на нагрев исходных материалов в зоне подогрева; 9) ис-
использование теплоты отходящих газов на аккумуляцию футеровкой
и компенсацию потерь теплоты через ее наружную поверхность путем
транспортирования их через специальных газоходы в футеровке
стен, которые будут нагреваться с внутренней стороны и существенно
уменьшать теплопотери из рабочей камеры; 10) применение воздуш-
воздушной тепловой изоляции камер сжигания топлива, в которых воздух,
охлаждающий наружную поверхность, далее используется как вто-
вторичный для снижения температуры теплоносителя до заданной;
11) выгрузка из печи полученного продукта с минимально допусти-
допустимой температурой; 12) создание оптимальных теплотехнических
и механических условий для осуществления термотехнологических
процессов; 13) выбор научно обоснованной максимальной единичной
мощности печей; 14) предварительный нагрев газового, жидкого
топлива и окислителя; 15) выбор оптимального коэффициента рас-
расхода воздуха; 16) использование теплоты выгружаемых полученных
продуктов и отходящей печной среды; 17) использование в качестве
топлива отходящих горючих газов целевых термотехнологических
процессов; 18) использование теплоты отходящих высокотемпера-
высокотемпературных газов для нагрева воздуха с помощью регенераторов и реку-
рекуператоров; 19) снижение температуры газового теплоносителя до
121

заданной температуры за счет использования рециркулируемых
газов и т. д.
Конструктивные приемы: 1) выбор научно обоснованных опти-
оптимальных геометрической формы рабочей камеры и композиции футе-
футеровки печи; 2) герметизация печей с исключением выбивания раска-
раскаленных газов из них; 3) минимизация в электропечах числа транс-
трансформации и преобразования электроэнергии; 4) минимизация пло-
площади наружной поверхности печей; 5) минимизация в электропе-
электропечах длины токопроводов и увеличение их сечения; 6) выполнение
толщины футеровки с минимально возможной аккумуляцией теплоты;
7) правильное определение места расположения каналов для отвода
газовой печной среды из рабочей камеры, что создает в ней необхо-
необходимое давление и движение газов и т. д.
Эксплуатационные приемы: 1) укладка изделия и заготовок в ра-
рабочей камере печи с приданием форм, благоприятных для органи-
организации движения газовой печной среды; 2) эксплуатация электро-
электропечей на максимуме средней мощности; 3) использование мощных
электропечей как регуляторов нагрузки энергосистемы путем сни-
снижения их мощности в часы пиковой нагрузки и повышения в часы
провала нагрузки, чем достигается экономия топлива на выработку
электроэнергии за счет невключения малоэффективных пиковых
агрегатов электростанций; 4) минимизация времени простоев печей;
5) установление научно обоснованных экономических и экологиче-
экологических эффективных режимов эксплуатации печей и т. д.
Основные направления повышения экономической
эффективности печных комплексов
Каждый печной комплекс предназначается для экономически
целесообразного получения заданных продуктов из имеющихся или
предварительно подготовленных исходных материалов и энергии.
Экономическая эффективность печных комплексов является
самым важным показателем, характеризующим степень совершен-
совершенства термотехнологических, теплотехнических и механических про-
процессов, оптимальность созданных условий для их осуществления,
а также полноту использования в них достижений науки и техники.
Экономическая эффективность печных комплексов характери-
характеризуется тремя основными показателями: удельными капитальными
затратами, затратами на передел исходных материалов в целевые
продукты и трудозатратами.
Удельные капитальные затраты — это сумма затрат, произведен-
произведенных при строительстве печного комплекса на единицу полученного
продукта. Они складываются из затрат на доставку и монтаж обо-
оборудования, строительных и футеровочных материалов и выполнение
общестроительных, специальных и монтажных работ и т. д.
Из этих затрат основную часть составляет стоимость футеровоч-
футеровочных материалов и выполнение этого вида работ. Выбор материалов
огнеупорного слоя футеровки должен осуществляться в строгом соот-
соответствии с требованиями термотехнологического и теплотехниче-
122

ского процессов и выполняемых ею функций, с учетом опыта экс-
эксплуатации печей для аналогичных процессов. Практически в боль-
большинстве случаев это осуществляется однозначно. Толщина огнеупор-
огнеупорного слоя выбирается из условий обеспечения заданной кампании
работы, строительной и механической прочности и кратности разме-
размерам кирпича или изделий.
Материал теплоизоляционного слоя выбирается по допустимой
температуре на границе с огнеупорным слоем и наружной поверх-
поверхности, строительной и механической прочности, а также кратности
размерам теплоизоляционных изделий и эксплуатационных особен-
особенностей.
При проектировании футеровки печи имеется возможность умень-
уменьшения ее стоимости за счет использования высококачественных
теплоизоляционных материалов, что может позволить уменьшить
толщину огнеупорного слоя или использовать экранирование
наружной поверхности футеровки в зонах обслуживания. В настоя-
настоящее время и в будущем, учитывая необходимость особой бережли-
бережливости при расходовании энергетических ресурсов, уменьшение тепло-
тепловых потерь за счет некоторого увеличения толщины теплоизоля-
теплоизоляционного слоя может считаться вполне обоснованным.
Конструкции футеровки печей из огнеупорных болынемерных
кирпичей, изделий и блоков может сократить срок строительства,
что также является одной из статей повышения экономической эффек-
эффективности по данному показателю.
Затраты на передел исходных материалов — это денежное выра-
выражение затрат на получение единицы продукта из печного комплекса.
По данному показателю экономическая эффективность печных
комплексов может быть достигнута: 1) экономией энергетических
ресурсов (топлива и электрической энергии) при осуществлении тер-
термотехнологических процессов *; 2) совершенствованием термотех-
термотехнологических процессов в части получения качественного продукта,
полноты проводимых физических и химических превращений исход-
исходных материалов, получения качественных побочных продуктов,
находящих сбыт; 3) увеличением срока эксплуатации печей за счет
качественного выполнения футеровочных и монтажных работ;
4) уменьшением числа персонала, обслуживающего печной комплекс,
за счет укрупнения печей.
Трудозатраты — это количество рабочего времени, затрачивае-
затрачиваемого на получение единицы продукции из печного комплекса.
Увеличение экономической эффективности печей по данному пока-
показателю может быть достигнуто за счет осуществления следующих
* Это может быть обеспечено за счет: совмещения различных процессов в одном
агрегате; укрупнения печей (увеличение размеров емкости, мощности) с повыше-
повышением производительности; полного использования энергии на основной процесс
(исключение или максимально возможное уменьшение потерь) и утилизации теп-
теплоты, получаемой при охлаждении продуктов в печи и элементов ее конструкции
с отходящими из печи продуктами, печной средой; совершенствования геометриче-
геометрической формы рабочей и топочной камер печи для создания оптимальных условий
теплообмена и т. д.
123

мероприятий: 1) оптимизации осуществления термотехнологических
процессов: перевод печей периодического термотехнологического
режима на непрерывный, уменьшение влияния лимитирующих фак-
факторов для химического превращения, ускорение подачи исходных
материалов в реакционную зону, сокращение реакционного времени
за счет проведения процессов при максимально допустимых темпера-
температурах, повышение концентрации реагентов и увеличение или умень-
уменьшение давления до максимальных величин, ускорение отвода полу-
полученных продуктов из реакционной зоны, увеличение скорости предва-
предварительного (начального) нагрева исходных материалов за счет повы-
повышения температуры до максимально допустимой, повышение ско-
скорости охлаждения полученных продуктов в печи или после нее до
максимально допустимой или возможной, улучшение предваритель-
предварительной подготовки исходных материалов к печному процессу; 2) обеспе-
обеспечения необходимой степени надежности вспомогательного оборудо-
оборудования, ибо выход из строя незначительного вспомогательного обо-
оборудования ведет к простою всего печного комплекса и наносимый
при этом ущерб во много больше стоимости этого оборудования;
3) полной механизации и автоматизации процессов, протекающих
в печах, и операций обслуживания их; 4) совершенствования орга-
организации работ за счет исключения или максимального уменьшения
времени простоя печи из-за неисправности оборудования либо дру-
других организационных причин, исключения остановки (кроме ава-
аварийной) печей с непрерывным термотехнологическим процессом,
максимального сокращения времени загрузки и разгрузки печей
с периодическим термотехнологическим процессом; 5) повышения
научного уровня проектирования печных комплексов и технического
уровня обслуживающего печь персонала.
В зависимости от вида термотехнологического процесса, осуще-
осуществляемого в печах, его конструктивного типа и условий производ-
производства экономическая эффективность будет различна для каждого
конкретного случая. Однако рассматриваемые позиции экономиче-
экономической эффективности и приведенные рекомендации по ее достижению
являются общими и обязательными при проектировании, расчете,
конструировании и эксплуатации всех печных комплексов.
Печные вторичные энергоресурсы
и способы их использования
Печи являются потребителями значительного количества топлива
и электроэнергии для осуществления различных термотехнологиче-
термотехнологических процессов. Наряду с этим они выделяют большое количество
отходов и продуктов с высокой температурой, которые могут быть
вторичными энергоресурсами (ВЭР). Рациональное использование
ВЭР — важнейшая задача технологов и энергетиков, разрабаты-
разрабатывающих печные комплексы.
Отходы печных процессов, которые могут быть использованы как
ВЭР, можно разделить на два вида: горючие материалы и материалы-
теплоносители.
124

Горючие материалы и их теплотворная способность (в МДж/м3):
1) печные технологические газы, отходящие от печей фосфорных
(8,4—10,9), карбидных (8,8—12,5), доменных C,8—4,4), коксовых
A5—16), ретортных при прокалке литейного кокса и термоантра-
термоантрацита A1,5) и при прокалке нефтяного кокса E,8) и т. д.; 2) коксо-
коксовые отходы — отходы обогащения углей A6—18) и отходы коксо-
коксового отсева фракции 0—10 мм B5,2—27,3).
К материалам-теплоносителям относятся: 1) продукционные мате-
материалы — сернистые газы, раскаленный кокс, жидкий чугун, сталь,
декарбонизированный фосфорит и т. д.; 2) вода, охлаждающая кор-
корпус и элементы печей; 3) шлаки фосфорные и металлургические;
4) отходящие дымовые газы; 5) воздух, охлаждающий полученные
продукты, и т. д.
Все горючие материалы на практике используются в качестве
технологического или энергетического топлива.
Ретортные печи для обжига антрацита в основном работают за
счет теплоты, получаемой от сжигания собственных отходящих
печных газов.
Материалы-теплоносители должны использоваться для нагрева
воды, воздуха, исходных материалов основных термотехнологиче-
термотехнологических процессов, получения пара и т. д. Для этих целей применяются
рекуператоры, регенераторы, котлы-утилизаторы и другие теплооб-
теплообменники. Нагретый воздух из рекуператоров и регенераторов исполь-
используется для сжигания топлива как окислитель, что дает возможность
не только экономить топливо, но и достигать более высоких темпе-
температур в рабочей камере печей.
В настоящее время создаются комбинированные термотехнологи-
термотехнологические комплексы, в которых одновременно сжигаются горючие
исходные материалы (сера, колчедан) и получающиеся высокотем-
высокотемпературные продукционные газы, которые используются для полу-
получения пара энергетических параметров, расходуемого далее на полу-
получение электроэнергии.
Необходимо отметить, что до настоящего времени не решена
проблема использования теплоты, получающейся при сжигании
желтого фосфора, фосфорсодержащих шламов и т. д.
В химической промышленности для использования отходящих
высокотемпературных газов применяются котлы-утилизаторы.
Важность использования вторичных печных энергоресурсов
можно показать на примере фосфорной промышленности, которая
в состоянии почти полностью обеспечить свои технологические
потребности в тепловой энергии за счет использования теплоты печных
газов, а избыток — для получения пара. При этом экономятся
миллионы кубометров природного газа и существенно улучшается
воздушный бассейн в регионе фосфорных заводов.
Для использования вторичных печных энергоресурсов главным
и определяющим фактором всегда должна быть их экономическая
и экологическая эффективность.
125

РАЗДЕЛ II
РАЗРАБОТКА ПЕЧНЫХ КОМПЛЕКСОВ
Глава 8
ПРИНЦИПЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЕЧЕЙ
Исследование печей — это процесс получения новых научных
знаний о закономерностях термотехнологического метода получения
продуктов и обезвреживания отходов, загрязняющих окружающую
среду, а также возникающих при этом взаимосвязях, взаимозависи-
взаимозависимостях между элементами печной системы и внутри них, необходи-
необходимых для разработки и эксплуатации печей. Такие исследования
должны проводиться в строгом соответствии с методом системной
теории, которая рассматривает протекание печных процессов в сово-
совокупности, единстве и взаимозависимости.
Исследования печей должны характеризоваться объективностью,
воспроизводимостью, доказательностью и необходимой точностью.
Целями исследования печей являются: 1) получение исходных
данных, необходимых для разработки новых опытно-промышленных
печных комплексов; 2) получение объективных данных о функциони-
функционировании вновь созданных печных комплексов в условиях промышлен-
промышленного производства; 3) выявление путей интенсификации действую-
действующих печных комплексов за счет совершенствования их конструкций
или печных процессов.
Основные этапы исследования печей: постановка задачи, предва-
предварительный анализ имеющейся информации, условий и методов реше-
решения задач подобного типа; формулировка исходных гипотез; плани-
планирование и организация эксперимента; анализ и обобщение получен-
полученных результатов; проверка исходных гипотез на основании полу-
полученных фактов и законов; получение объяснений или научных пред-
предсказаний; внедрение полученных результатов в практику и оконча-
окончательная проверка правильности принятых решений. В ряде случаев
некоторые этапы могут отсутствовать.
Исследования печей осуществляются на двух взаимосвязанных
уровнях: экспериментальном и теоретическом.
Экспериментальные исследования —это метод познания явлений
и предметов объективной действительности в процессе их изменения
в относительно изолированных и контролируемых условиях. Иссле-
Исследования должны осуществляться только на основе системной теории
печей, определяющей постановку задачи эксперимента и интерпре-
интерпретацию его результатов.
Нередко главной задачей эксперимента является проверка гипо-
гипотез, предсказаний теорий и конкретных теоретических моделей, имею-
имеющих принципиальное значение. В связи с этим эксперимент служит
одной из форм практики и выполняет функции критерия истинности
научного познания в целом.
126

По цели проведения эксперименты подразделяются на качествен-
качественные и количественные. Качественный эксперимент имеет цель уста-
установить наличие или отсутствие предполагаемого теорией явления.
Количественный эксперимент выявляет количественную определен-
определенность какого-либо явления или свойства.
При экспериментальных исследованиях печей устанавливаются
новые факты течения печных процессов, выявляются факторы, влия-
влияющие на качественные и количественные зависимости между элемен-
элементами и в элементах печной системы, функции печной среды и футе-
футеровки при получении продукта; на основе их обобщения формули-
формулируются эмпирические закономерности.
Экспериментальные исследования печей по целям, методам и
условиям их осуществления подразделяются на две последователь-
последовательные стадии: лабораторные и производственные.
Лабораторные исследования печей — это эксперименты, прово-
проводимые на лабораторных установках и в лабораторных условиях.
Цель лабораторных исследований — получение качественных и
количественных экспериментальных данных о химических составах,
химических и физических свойствах, фазовых состояниях исходных
материалов, получаемых целевых и побочных продуктов, отходов,
а также о физических и химических превращениях исходных материа-
материалов в условиях теплового воздействия при различных режимах
протекания процесса.
По виду лабораторные исследования подразделяются на анали-
аналитические, процессные (термотехнологические и теплотехнические),
аппаратурные, материаловедческие и др.
Лабораторные исследования представляют собой единственную
возможность осуществления расчлененного эксперимента печных про-
процессов на разных лабораторных установках с необходимой степенью
точности, на одном зерне (грануле, окатыше, куске), капле, в системе
частиц, находящихся в потоке, с последующим объединением полу-
полученных результатов в стройную единую систему знаний, достаточную
для разработки опытно-промышленных печных комплексов.
Моделирование промышленных печей является методом экспе-
экспериментального исследования, основанного на дублировании осу-
осуществления конкретного термотехнологического, теплотехнического
и механического процессов в печи определенного конструктивного
типа уменьшенного размера или в другом подобном устройстве.
Под моделированием промышленных печей понимается воспро-
воспроизведение условий, которые необходимо создать для совместного
осуществления взаимосвязанных и взаимозависимых химических
и физических превращений реальных исходных материалов в целе-
целевые продукты или обезвреженные отходы, нейтральные к окру-
окружающей среде, при тепловом воздействии на них в рабочей камере
печи.
Под моделью печи понимается устройство, более простое во всех
отношениях, кроме признаков и параметров, влияние которых необ-
необходимо изучить и определить. Цели моделирования промышленных
печей: 1) предсказание результатов протекания термотехнологиче-
127

ских и теплотехнических процессов; 2) получение данных, необхо-
необходимых для разработки опытно-промышленных печей и оптимизации
существующих; 3) создание систем комплексной автоматизации;
4) определение оптимальных условий осуществления термотех-
термотехнологических и теплотехнических процессов; 5) разработка опти-
оптимальных режимов пуска, наладки и нормальной эксплуатации.
Метод моделирования промышленных печей применяется там,
где невозможно проведение всего комплекса исследования на самой
печи из-за сложности выполнения измерений, невысокой точности
получаемых величин или значительных затрат на постановку необ-
необходимых экспериментов.
Модели промышленных печей подразделяются на два типа:
вещественные и знаковые.
Вещественные (материальные) модели выполняются в материале
и представляют собой уменьшенные и упрощенные копии оригинала
с сохранением всех или части пропорции. Эксперимент проводят
только с реальными исходными материалами.
Вещественное моделирование промышленных печей осущест-
осуществляется в трех направлениях: 1) моделирование процессов, проте-
протекающих в печах; 2) моделирование конструкции печи или ее эле-
элементов для проведения этих процессов; 3) моделирование процессов
совместно с конкретным конструктивным типом печи уменьшенного
размера.
По объему исследования параметров процесса и* конструкции
устройства (печи) вещественное моделирование промышленных печей
подразделяется на полное и локальное. Полное моделирование —
это лабораторное воспроизведение и совместное рассмотрение про-
протекающих в печах термотехнологических и теплотехнических про-
процессов в реальной печной среде и в определенном конструктивном
типе печи, уменьшенной в размерах по сравнению с оригиналом.
Локальное моделирование — это раздельное рассмотрение этих про-
процессов или участков печи с приближенным частичным моделирова-
моделированием только тех процессов и участков печи, изучение которых проще
по частям или участкам. Результаты моделирования по частям
или участкам соответствующим образом суммируются, в результате
чего удается получить общую картину процесса или устройства
в целом.
При моделировании физических процессов исследуются условия
протекания физических превращений исходных материалов в конеч-
конечные продукты, скорость этих превращений в зависимости от хими-
химического состава, фазового состояния,.размеров, температуры, гидрав-
гидравлического состояния рабочего объема и газодинамики среды, тепло-
теплообмена и др.
При моделировании химических процессов изучают способность
исходных метериалов к превращению в конечные продукты, скорости
протекания этих превращений, оптимальные температуры, давления^,
концентрации, полноту превращения, количество, фазы и химический
состав отходов, взаимодействие исходных материалов, полученных
продуктов, печной среды и футеровки.
128

Исходные материалы для моделирования процессов должны
строго соответствовать оригиналу.
Моделируемый процесс и сама модель по термической характе-
характеристике подразделяются на горячие и холодные.
Исследования протекания термотехнологических и теплотехни-
теплотехнических процессов осуществляются всегда на горячих действующих
моделях, а исследования гидравлики и газодинамики печной среды
и теплообмена проводятся на холодных моделях (водяных, воздуш-
воздушных, электрических и световых) на основе законов теории подобия.
На водяных моделях печей исследования в большинстве случаев
осуществляют для рассмотрения качественной картины движения
печной среды в рабочей камере печи и выявления воздействия раз-
различных факторов на характер ее движения. К этим факторам отно-
относятся: загруженность рабочей камеры садкой и ее расположение,
количество и места расположения ввода газовых исходных материа-
материалов, топлива, теплоносителя, рециркуляционных газов и отвода го-
готового продукта, печной среды и т. д. Зткми исследованиями уста-
устанавливаются границы автомодельной области движения, образова-
образование и влияние пристенных эффектов на характер движения газов,
границы кольцевых зон движения газов в печи. Поставленные за-
задачи достигаются закрашиванием отдельных струй и потоков, а
также вводом краски в отдельные участки печи.
На воздушных моделях, также как и на водяных, определяют
картину движения газов в печах, распределение и интенсивность
газовых потоков путем наблюдения за движением воздуха, подкра-
подкрашенного дымом или пылью.
Воздушная модель по своей сущности значительно ближе к ори-
оригиналу, поэтому на ней представляется возможность определения
некоторых количественных характеристик, характеризующих ра-
работу отдельных конструктивных элементов печи.
На воздушных моделях определяют скоростные поля движения
газовой печной среды (распределение относительных вращательных
тангенциальных потоков и других скоростей) в объеме рабочей
камеры печи, а также выявляют условия наиболее эффективной
работы инжекционных, смесительных и других устройств печи. На
них изучают процессы уноса пыли из рабочей камеры и прове-
проверяют влияние различных конструктивных элементов и деталей на ха-
характер движения газов в печи.
Воздушные (водяные) модели дают возможность моделирования
конвективного теплообмена для определения коэффициентов теплоот-
теплоотдачи конвекцией в печах. Они позволяют оценивать роль отдельных
участков и поверхностей в тепловой работе печей, а также определять
гидравлические сопротивления печей или отдельных участков.
Световые модели дают возможность моделирования радиацион-
радиационного теплообмена в реакционном объеме дуговых сталеплавильных
печей [27].
Метод вещественного моделирования имеет ряд принципиальных
недостатков, которые необходимо учитывать. Например, измерения
остаются такими же, что и на объекте моделирования; эксперименты
5 Исламов М. Ш. 129

могут затрудниться из-за отсутствия необходимой методики измере-
измерения; точность замеров на модели искажается неизбежными погреш-
погрешностями, вносимыми методиками и средствами измерения. Экспери-
Эксперименты выполняют как бы на фоне помех, зачастую значительно иска-
искажающих окончательные выводы.
Масштабное уменьшение объекта моделирования может привести
к появлению у модели таких свойств, которые не присущи оригиналу,
а другие свойства ее при переходе к вещественной модели могут
оказаться настолько ослабленными, что их проявление в модели уже
невозможно зарегистрировать. Например, при изменении геометри-
геометрических размеров оригинала изменяется удельное влияние пристеноч-
пристеночных эффектов. Степень влияния этих эффектов на процессы, проис-
происходящие в объеме печи, пропорциональна отношению внутренней по-
поверхности к реакционному объему, т. е. обратно пропорциональна
его размерам. С уменьшением размеров модели печи возможно суще-
существенное возрастание влияния пристеночных эффектов, вследствие
чего может быть сделан ложный вывод о поведении объекта модели-
моделирования.
При моделировании химических процессов размеры печи не ска-
сказываются на скорости химического превращения, если процесс опре-
определяется только скоростью химической реакции. Однако химиче-
химическая реакция приводит к изменению состава реагируемой смеси и
температуры. Следствием этого является возникновение процессов
переноса вещества и теплоты, на скорость которых существенно влия-
влияет характер концентрационного и температурного полей в печи.
В свою очередь состав смеси и температура существенно влияют на
скорость химического превращения. В результате этого протекание
химического процесса в целом находится в полной зависимости от
размеров печи, так как с изменением масштаба меняется структура
или соотношение между его составными частями, химическими ста-
стадиями и стадиями процессов переноса вещества и теплоты. В связи
с вышеизложенным невозможно сохранить одинаковое влияние фи-
физических факторов на скорость химического превращения в печах
разного масштаба, кроме тех случаев, когда химическая реакция
протекает с большей скоростью, чем процессы переноса.
Знаковые модели печи — это математические описания реальных
печных процессов в конкретном типе печи, отражающие сущность
явлений и характеризующие ее свойства. Они представляют собой
сочетание различных «элементарных» процессов, подчиненных за-
закономерностям, которые описываются отдельными математическими
соотношениями (процессы массо- и теплопередачи, физические и
химические превращения исходных материалов, движение печной
среды и т. д.).
Математическая модель должна рассматриваться в совокупности
трех ее аспектов; смыслового, аналитического и вычислительною.
Смысловая сторона модели — формализованное описание физиче-
физической и химической сущности печных процессов и самой печи. Ана-
Аналитическая сторона модели — математическое описание, которое яв-
является выражением формализованного описания на языке матема.
130

тики в виде некоторой системы уравнений и функциональных соот-
соотношений между разными параметрами модели. Вычислительная сто-
сторона — моделирующий алгоритм — определяется как последова-
последовательность операций, которые необходимо выполнить над уравнениями
математического описания для того, чтобы определить значения па-
параметров математической модели, т. е. обеспечить возможность са-
самого процесса моделирования.
Без данных лабораторных исследований невозможна разработка
опытно-промышленных печей для получения целевого продукта или
обезвреживания отходов, загрязняющих окружающую среду, и раз-
разработка технологических регламентов осуществления процессов.
Однако в лабораторных установках не всегда представляется
возможным воспроизвести протекание термотехнологических и теп-
теплотехнических процессов одновременно и в динамике, сложно созда-
создание изменяющихся во времени или в пространстве условий. Не все
процессы моделируются, а ряд высокотемпературных процессов
практически невозможно исследовать в лабораторных установках
и условиях, поэтому для получения окончательных и объективных
данных для разработки головных образцов промышленных печей
экспериментальные исследования переносятся на опытно-промышлен-
опытно-промышленные печи в производственных условиях.
Производственные экспериментальные исследования печей осу-
осуществляются на опытно-промышленных и промышленных печах в
условиях действующих цехов.
Целью исследований на опытно-промышленных печах является
изучение печного способа получения целевого продукта и обезвре-
обезвреживания отходов, загрязняющих окружающую среду, осуществле-
осуществлением термотехнологических и теплотехнических процессов с исход-
исходными материалами в определенной печной среде в печах определенных
конструктивных типов. Только на опытно-промышленных печах пред-
представляется возможность проведения исследований с получением пол-
полных и наиболее достоверных данных о протекающих в печи процес-
процессах, их взаимосвязях и взаимозависимостях.
При исследованиях на опытно-промышленных печах опреде-
определяются удельное количество получаемого продукта, его ожидаемые
качества, химический состав, физические состояния, химические и
физические свойства; те же исследования осуществляются с полу-
получающимися побочными продуктами и отходами.
После исследований на опытно-промышленных печах составляются
фактически полученные материальные и энергетические балансы при
различных технологических режимах, выбираются и отрабатываются
оптимальные режимы получения целевых продуктов или обезвре-
обезвреживания отходов, загрязняющих окружающую среду, выявляются
особенности протекания термотехнологических и теплотехнических
процессов, функций среды и футеровки, взаимные связи и зависимо-
зависимости процессов и явлений и их качественные и количественные харак-
характеристики. Выявляются недостатки в печном комплексе и непосред-
непосредственно в конструкции печи, которые необходимо исключить в го-
головном образце конструкции,
5* 131

Диапазон исследований на опытно-промышленных печах суще-
существенно зависит от класса печей, вида термотехнологических и теп-
теплотехнических процессов, печной среды, футеровки рабочей камеры
и ее конструкции.
Полученные результаты исследований на промышленных печах
являются главными исходными данными для разработки головных
образцов новых промышленных печей, а также критерием правиль-
правильности результатов и рекомендаций лабораторных исследований,
данных для разработки опытно-промышленных печей.
Исследования осуществляют на специально сооруженных опытно-
промышленных печах по данным лабораторных исследований, ос-
основываясь на опыте разработчиков. По конструктивному типу опыт-
опытно-промышленные печи подобны головному образцу промышленных
печей, но с уменьшенными (некоторыми или всеми) размерами, мощ-
мощностью, производительностью. Они должны обладать возможностями
изменения технологических режимов и параметров работы в широ-
широком диапазоне, с быстрой и легкой заменой отдельных деталей и
элементов.
Средства обеспечения опытно-промышленных печей должны также
иметь возможность многовариантного и легкоизменяемого снабжения
ее всем необходимым.
Контрольно-измерительные приборы, устанавливаемые на печи,
должны полностью обеспечить точное и надежное измерение пара-
параметров работы печи в соответствии с программой исследований.
Опытно-промышленные печи должны устанавливаться в действу-
действующих или~опытных цехах заводов, на опытных заводах.
Исследования промышленных печей осуществляются с целью от-
отработки технологических режимов, производительности, установле-
установления расходов исходных материалов, энергии, проверки надежности
конструкции, функционирования средств обеспечения и систем авто-
автоматизации на головных образцах новых конструкций печей, а также
поиска путей интенсификации действующих промышленных печей
и усовершенствования ее элементов.
Промышленные печи, подлежащие исследованию, должны до-
дополнительно оснащаться контрольно-измерительными приборами, а
средства обеспечения печей должны иметь возможность работы на
изменяющихся параметрах.
Система автоматизации управления процессами должна быть вклю-
включена после отработки оптимальных режимов на ручном управлении.
Теоретические исследования промышленных печей. При теорети-
теоретических исследованиях выдвигаются и формулируются общие для
печей закономерности, позволяющие объяснить ранее известные
факты и эмпирические закономерности, а также предсказать и пред-
предвидеть ход печных процессов, качество получаемых продуктов и
функционирование печной системы «материал — среда — футеровка».
Принципы исследования печей, разработанные системной теорией,
являются конкретным выражением общего положения диалектиче-
диалектического материализма о единстве экспериментального и теоретического
уровней в процессе познания.
132

Глава 9
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПЕЧНЫХ КОМПЛЕКСОВ
Общие сведения
В соответствии со своим назначением печи в производстве целе-
целевых продуктов являются основным термотехнологическим оборудо-
оборудованием в технологических линиях цехов (производств), и их работа
жестко связана с работой остального оборудования этих, а иногда
и других цехов (подготовка сырья, шихтовки), различных складов
сырья и т. д., поэтому их проектируют только совместно со всем
оборудованием, связанным с этим производством, как часть единого
целого, учитывая при этом, что транспортные средства его подают
в печь исходные материалы и отводят из нее полученные продукты.
Разработка основ проектирования и конструирования различных
печей является одной из главных целей системной теории и звеном,
связующим ее с производством. В проекте печи непосредственно ре-
реализуются результаты экспериментальных и теоретических исследо-
исследований, в нем используются достижения передовой техники. От ка-
качества проектирования в значительной степени зависят темпы тех-
технического прогресса.
Проекты печных комплексов отвечают требованиям производ-
производства определенных целевых продуктов в конкретных конструкциях
печей из заданных исходных материалов и энергии.
Целями проектирования печного комплекса являются: 1) разра-
разработка основных исходных данных для конструирования непосред-
непосредственно печи; 2) расчеты средств обеспечения печного процесса с вы-
выбором соответствующего оборудования; 3) разработка данных для
проектирования систем автоматизированного управления функцио-
функционированием печного комплекса.
Проектирование печного комплекса включает разработку техни-
технической документации для осуществления строительства и нормаль-
нормальной эксплуатации, а также технические и экономические расчеты,
пояснительные записки, спецификации на материалы и оборудова-
оборудование, сметы, калькуляции, описания печи, порядка пуска и наладки
печного комплекса, рекомендации по эксплуатации, технологические
режимы проведения процессов и т. д.
Проектирование печей состоит в разработке единой химико-тер-
химико-термической печной системы -логической основы конструкции печи
и функции ее как термотехнологического устройства. Здесь четко
проявляется единство процесса и конструкции, поэтому можно утвер-
утверждать, что вне процесса не может быть и конструкции печи. Система
и конструкция печи представляет собой главное содержание проекта
печи.
Разработка химико-термической печной системы охватывает осу-
осуществление термотехнологических, теплотехнических и механиче-
механических процессов в печной среде рабочей камеры футеровки печи, по-
поэтому каждый элемент системы рассматривается отдельно, но во вза-
взаимной связи с другими.
133

1. Осуществление термотехнологических процессов. При раз-
разработке осуществления физических и химических превращений ис-
исходных материалов в печи рассматриваются следующие вопросы:
количество исходных материалов, подлежащих переработке, их
вид, химический состав, химические и физические свойства, фазовые
состояния, вид химических и физических превращений, количество
получаемого продукта (целевых и побочных) и отходов, их химиче-
химический состав, химические и физические свойства, фазовые состояния,
температуры; кинетика процессов, продолжительность термотехно-
термотехнологических процессов, температуры процессов, совместимость тер-
термотехнологических процессов с процессами сжигания топлива, не-
необходимая печная среда. Выдаются рекомендации по материалам
огнеупорного слоя рабочей камеры футеровки.
2. Осуществление теплотехнических процессов. При разработке
осуществления теплотехнических процессов в печи рассматриваются
следующие вопросы: суммарное потребление теплоты, источник теп-
теплоты (экзотермическая, электротермическая, гелиотермическая или
смешанная); тип, количество, место и порядок расположения тепло-
теплогенераторов с учетом их особенностей для обеспечения заданного
профиля температур в печи.
Для печей с экзотермическим источником теплоты определяется
способ сжигания горючего исходного материала, топлива, количество,
химический состав, химические и физические свойства, давления пе-
перед сжигательными устройствами и т. д. Для печей с электротерми-
электротермическим источником теплоты: способ преобразования электрической
энергии в тепловую, необходимая мощность, напряжение и сила тока,
диаметр электродов, тип нагревателей, концентраторов, их количе-
количество и расположение и т. д. Для печей с гелиотермическим источни-
источником теплоты: необходимая мощность, оптическая система концен-
концентрации энергии и т. д. Для печей со смешанным источником теплоты:
все вопросы, связанные с каждым видом источника теплоты в сово-
совокупности.
Рассматриваются также вопросы, связанные с охлаждением ис-
исходных материалов, полученных продуктов, конструкции печи и ее
элементов, типом охлаждающей среды, ее количеством и параметрами,
местом ввода и вывода.
Выдаются рекомендации по желаемой геометрии топочной рабочей
камеры для организации в ней оптимального теплообмена.
Определяется необходимость утилизации теплоты, количества вто-
вторичных энергоресурсов, возможности непосредственного их исполь-
использования в печном комплексе или выдачи данных по ВЭР для исполь-
использования в других теплопотребителях.
3. Осуществление механических процессов. При проектирова-
проектировании механических процессов рассматриваются вопросы, связанные
с организацией движения исходных материалов, полученных про-
продуктов, печной среды, теплоносителя, охладителей печи и ее кон-
конструктивных элементов, а также создания необходимых гидроаэро-
гидроаэродинамических режимов для нормального осуществления термотехно-
термотехнологических и теплотехнических процессов. Необходимые формы дви-
m

Жения создаются за счёт средств обеспечения и различных аэродина-
аэродинамических, механических и конструктивных приемов. Проектирова-
Проектирование механических процессов заканчивается разработкой данных для
гидроаэродинамических расчетов средств обеспечения процессов с
выбором оборудования и транспортирующих средств.
4. Печная среда. При проектировании печной среды, в которой
осуществляются термотехнологические и теплотехнические процессы,
рассматриваются следующие вопросы: назначение, химический со-
состав и периодичность изменения ее, количество, химические и физи-
физические свойства, фазовые состояния, плотности, температуры ввода,
функционирования и отвода, характер движения и т. д.
5. Футеровка печей. При проектировании футеровки рассматри-
рассматриваются вопросы, связанные с определением геометрии рабочей и то-
топочной камер футеровки, выбором материалов и толщины огне-
огнеупорного, кислотоупорного и теплоизоляционных слоев с учетом хи-
химической, термической и механической стойкости.
Разработка средств обеспечения печей. К средствам обеспечения
промышленных печей относятся системы коммуникаций и оборудова-
оборудование. Задача средств обеспечения заключается в снабжении печей
исходными материалами, воздухом, водой, паром, топливом, элек-
электрической энергией, компонентами печной среды, а также в обеспе-
обеспечении отвода готовых продуктов, газов, жидкостей, расплавов и т. д.
При разработке средств обеспечения печей решаются следующие
вопросы: 1) доставки в печь различных материалов с помощью систем
трубопроводов (коммуникаций), транспортирующих средств и элек-
электрической энергии с помощью электрических сетей; 2) отвода из
печи отходов и отработанной печной среды с недоиспользованной
тепловой энергией через систему трубопроводов, боровов и труб;
3) подбора оборудования для выполнения приведенных выше опера-
операций. К средствам обеспечения относятся дутьевые вентиляторы,
компрессоры, дымососы, насосы, трансформаторы, короткие сети,
индукторы, оборудование газоочистки, рекуператоры, регенераторы,
котлы-утилизаторы и т. д.
Разработка систем автоматизации печного комплекса. К системам
автоматизации, подлежащим разработке при проектировании печей,
относятся: 1) автоматизированная система управления термотехно-
термотехнологическими, теплотехническими и механическими процессами, про-
протекающими в печах, параметрами печной среды; 2) автоматизирован*
ная система обеспечения безопасности при обслуживании печей.
При проектировании печей выполняются технические и экономи-
экономические расчеты.
Технические расчеты включают в себя: 1) технологические рас-
расчеты, определяющие производительность печи, материальные потоки
(расчеты завершаются составлением материального баланса термо-
термотехнологического процесса); 2) теплотехнические расчеты, определя-
определяющие энергетические затраты на осуществление термотехнологиче-
термотехнологических процессов и поддержание требуемой печной среды (расчеты
завершаются составлением энергетического баланса после графиче-
графического выполнения конструкции печи); 3) гидроаэродинамические
135

расчеты, определяющие, какие необходимо создать давления и раз-
разрежения в рабочей и топочной камерах печи для обеспечения задан-
заданного состояния и характера движения исходных материалов, полу-
полученных продуктов и печной среды, вида теплообмена при осуществле-
осуществлении термотехнологических и теплотехнических процессов; 4) рас-
расчеты средств обеспечения с выбором необходимого оборудования
и устройств.
Экономические расчеты выполняются в последнюю очередь и
включают в себя: 1) определение сметной стоимости строительно-
монтажных работ, т. е. стоимости сооружения печного комплекса;
2) определение экономической эффективности печей.
После разработки чертежей конструкции печи и других устройств,
а также выбора оборудования средств обеспечения выполняются
монтажные чертежи печного комплекса с увязками его с остальным
оборудованием цеха (производства).
В результате проектирования печей прежде всего создается основа
для конструирования их.
Проектные решения, представляющие собой сущность проекта,
являются совокупностью свойств, выбранных в качестве определя-
определяющих в процессе конструирования.
Окончательная оценка качества проектирования и конструиро-
конструирования печи определяется эффективностью работы ее в процессе экс-
эксплуатации при получении целевого продукта и обезвреживания от-
отходов, загрязняющих окружающую среду.
Выбор конструктивного типа печи
Многолетний опыт промышленного производства целевых -про-
-продуктов выработал определенные конструктивные типы печей в за-
зависимости от вида термотехнологических, теплотехнических и меха-
механических процессов, который учитывает фазовые состояния исход-
исходных материалов, получаемых продуктов, печной среды, температуры
ведения процесса, степень чистоты получаемых продуктов, способов
подавления сопутствующих процессов, характера течения процессов,
способа теплогенерации и т. д.
Процессы обжига осуществляются в следующих типах печей:
туннельных, шахтных, многополочных, вращающихся, КС, горно;
обжиговых и агломерационных машинах и т. д. Процессы сжигания,
нагрева под ковку, штамповку, термообработку проводятся в камер-
камерных вертикальных или горизонтальных и других печах. Процессы
плавления осуществляются в ванных, вращающихся, шахтных, горш-
ковых, тигельных, муфельных и других печах.
Целевые продукты с требуемой степенью чистоты получают в ва-
вакуумных, муфельных, многополочных печах и т. д.
Получение заданного целевого продукта из заданных исходных
материалов при известном виде энергии возможно в печах нескольких
конструктивных типов, однако оптимальным вариантом является
только та печь, которая наиболее полно учитывает все особенности
осуществления печных процессов, имеет более высокую интенсив-
136

ность, большую экономическую эффективность, решает возникающие
экологические проблемы, обладает лучшими возможностями изготов-
изготовления и эксплуатации.
Главная задача, которую необходимо решить при проектирова-
проектировании печей, состоит в выборе наиболее предпочтительного и оптималь-
оптимального конструктивного типа печи из многих возможных с характери-
характеристиками, обеспечивающими осуществление в ней требуемых термо-
термотехнологических, теплотехнических и механических процессов.
При создании химико-термической печной системы либо прини-
принимаются во внимание конструкции существующих печей, либо со-
создаются новые конструкции, обусловленные требованиями научно-
технического прогресса в области промышленного производства
и охраны окружающей среды от загрязнения.
Только результаты технико-экономических расчетов различных
вариантов проектов печных комплексов позволяют определить наи-
наиболее предпочтительный конструктивный тип печи для строитель-
строительства.
Материальный баланс печного процесса
Материальный баланс печного процесса — это количественное
выражение равенства массы поступивших в нее веществ и получаю-
получающихся при этом продуктов и отходов. Основой материального баланса
является закон сохранения массы вещества.
Материальный баланс печного процесса бывает теоретический и
практический.
Теоретический материальный баланс составляется по данным,
полученным на основе стехиометрических уравнений реакций, кото-
которые должны осуществляться в печном процессе. Для составления ба-
баланса достаточно знать уравнения реакций и молекулярные массы
исходных реагентов каждого элемента печной системы.
Практический материальный баланс учитывает состав исходных
материалов и готового продукта, избыток некоторых из компонентов,
степень превращения их в целевые продукты, селективность и т. д.
Для упрощения практического материального баланса иногда
применяют величины, полученные при опытно-промышленной или
промышленной эксплуатации и называемые расходными коэффи-
коэффициентами.
Материальный баланс печного процесса состоит из следующих
трех частей: 1) материального баланса термотехнологического про-
процесса; 2) материального баланса печной среды и 3) материального
баланса процесса горения топлива.
Сущность выполнения материальных балансов для всех частей
печного процесса одинакова, а отличаются они только порядком вы-
выполнения.
Сначала составляется материальный баланс термотехнологиче-
термотехнологического процесса, за ним — печной среды, затем на их основе состав-
составляется тепловой баланс, по данным которого составляется материаль-
материальный баланс горения топлива и, наконец, суммарный материальный
баланс печного процесса.
137

Материальный баланс нечной среды составляется в зависимости
от ее назначения и способа получения в следующем порядке: 1) для
печной среды, вводимой в рабочую камеру печи и не являющейся реа-
реагентом химических реакций, составляется одновременно с материаль-
материальным балансом термотехнологического процесса; 2) для печной среды,
создаваемой в рабочей камере печи за счет сжигания топлива с опре-
определенными коэффициентами расхода воздуха (а < 1 < а), состав-
составляется самостоятельно как для специальной химической реакции
с получением газового продукта заданного химического состава;
3) для печной среды, получающейся при энергетическом сжигании
топлива и являющейся только теплоносителем, составляется после
завершения тепловых расчетов по статье расхода топлива.
Материальный баланс печного процесса в соответствии с системной
теорией печей составляется по каждому из реагирующих веществ как
внутри элементов системы, так и между ними.
Левая часть материального баланса представляет массу всех
видов сырья, материалов, исходной печной среды, компонентов фу-
футеровки, поступающих в реакцию, а правая — массу полученных
целевых и побочных продуктов, отходов, отходящей печной среды и
охлаждающих материалов. Сумма всех поступивших в печной про-
щесс веществ, т. е. приход, равна общей массе получившихся из нее
веществ, т. е. расходу.
Материальный баланс печного процесса составляют на единицу
целевого продукта (кг, т) либо в расчете на единицу времени (ч,
сутки).
Материальный баланс печного процесса в общем виде может быть
представлен следующим образом:
6и. м + Gn. с + Gc. т + Go + Go. м + Оф =
Здесь Gji. м — масса исходных материалов; Gn. с — масса% исходной печной
среды; Gc# т — масса сжигаемого топлива; Go — масса окислителя; G0#M— масса
охлаждающих материалов; йф— масса трансформированной футеровки; G4t п —
масса полученных целевых продуктов; Gn. п — масса полученных побочных про-
продуктов; G0T — масса полученных отходов; G^ с — масса отходящей печной среды;
Gq м — масса охлаждающих материалов.
Материальный баланс в общем виде необходим для составления
теплового баланса, расчетов печной среды, проектирования средств
обеспечения печного процесса, определения геометрии рабочей ка-
камеры печи и конструирования печи, расчета воздушного бассейна,
экономических расчетов и т. д.
Для проектирования печей и средств обеспечения чрезвычайно
важно знание фазового состояния как вступающих в печной процесс
материалов, так и получающихся носле его осуществления целевых,
побочных продуктов и отходов, поэтому составляется материаль-
материальный баланс фазового состояния.
Данные материального баланса печного процесса записывают
приходной или расходной статьей баланса в виде таблицы, в которой
указывают элемент печной системы, реагирующие вещества, их
массу или объем и их процентное содержание в общей массе.
138

Проектирование теплотехнических процессов
Энергетический баланс печного комплекса — это количественное
выражение равенства прихода и расхода энергии в печах при про-
производстве целевых продуктов. Энергетический баланс печного ком-
комплекса состоит из теплового баланса печного процесса и электриче-
электрического баланса средств обеспечения и систем управления их осуще-
осуществлением.
Основой для расчетов энергетического баланса является закон
сохранения энергии в замкнутой системе.
Для печных процессов необходимо составлять тепловой баланс
вне зависимости от вида источника теплогенерации, так как ряд
термотехнологических процессов осуществляется с использованием
теплоты, получаемой одновременно из разных источников.
При составлении энергетического баланса печного комплекса
тепловая энергия, получаемая от преобразования электрической
энергии в тепловую, должна входить в статью электрической со-
составляющей, а полученная от прямой солнечной энергии — в
свою.
Тепловой баланс непрерывных термотехнологических процессов
составляется в расчете на единицу времени, а для периодических
процессов — за время цикла.
Тепловой баланс печного процесса бывает теоретический и прак-
практический. Теоретический тепловой баланс составляется по данным
материального баланса печного процесса с учетом тепловых эф-
эффектов физических и химических превращений элементов печной
системы или расходных коэффициентов при проектировании новых
печей. Практический тепловой баланс рассчитывается при исследова-
исследовании действующих печей по фактическим данным их промышленной
эксплуатации.
Энергетический баланс рассчитывается для следующих целей:
1) определения расхода топлива, электрической и солнечной энер-
энергии; 2) последующего расчета материального баланса сжигания
топлива; 3) выбора устройства теплогенерации, их количества и
места установки; 4) проектирования средств обеспечения печного
процесса; 5) определения тепловых, экономических показателей печ-
печного способа получения целевого продукта; 6) определения энергети-
энергетических сравнительных показателей печного процесса; 7) разработки
мероприятий по использованию вторичных энергетических ресурсов
и выбора путей экономии топлива и электроэнергии; 8) экономиче-
экономических расчетов и т. д.
Тепловой баланс печного процесса состоит из статей прихода
и расхода теплоты, которые необходимо рассчитать, чтсбы достигнуть
необходимого их равенства.
Для расчета теплового баланса необходимо располагать материаль-
материальным балансом печного процесса, видом источника теплоты, темпера-
температурными режимами ведения печного процесса, эскизом конструкции
печи.
139

Тепловой баланс печного процесса в общем виде может быть
представлен следующим уравнением:
Oi + <?2 + Qa + Q4 + Q5 + Qe — Qi + Qi + Qs + Qi + Qi +
+ Oh + Qi + Qi + Qi + QIo + Qn
Статьи прихода т е п л о т ы. Теплота, вносимая исход-
исходными материалами, является величиной суммарной и включает теп-
теплоту каждого компонента физического или* химического превраще-
превращения:
где Gj, с$, ti — масса, удельная теплоемкость и температура отдельных компонентов.
Теплота, вносимая печной средой, является величиной суммар-
суммарной и включает теплоту каждого ее компонента:
где G\y с\у t't— масса, удельная теплоемкость и температура отдельных компонен-
компонентов печной среды.
Теплота, содержащаяся в футеровке печи перед началом печного
процесса, является величиной суммарной и включает теплоту каж-
каждого компонента композиции футеровки:
Здесь G], cjj, t'j— масса, удельная теплоемкость и температура отдельных ком-
компонентов композиции футеровки.
Теплота, вносимая транспортирующими устройствами и приспо-
приспособлениями (вагонетки, тележки, конвейерные ленты, решетки Ле-
поля, паллеты, корзины, контейнеры, муфеля, поддоны, бугеля,
прокладки, подставки и т. д.):
q4 = бтст/т
где GT, ст, tT — масса, удельная теплоемкость и температура транспортирующих
устройств и приспособлений.
Теплота, выделяющаяся при осуществлении экзотермических хи-
химических реакций и физических превращений исходных материалов
Q6, определяется при составлении материального баланса по термо-
термохимическим уравнениям (см. стр. 20).
Теплота вводимая в процесс дополнительно за счет сжигания топ-
топлива, преобразования электрической энергии в тепловую, а также
в виде теплоты прямой и солнечной энергии может быть определена
по формулам: 1) при сжигании топлива
2) при преобразовании электроэнергии в тепловую
140

Здесь <?{J — низшая теплота сгорания Топлива; В — расход топлива; Р — по-
потребляемая мощность.
Статьи расхода теплоты. Теплота, уносимая полу-
полученными целевыми продуктами:
гДе С/ц. п, сц. „, ^ц. п— масса, удельная теплоемкость и температура целевого про-
продукта.
Теплота, уносимая полученными попутными продуктами:
0.4 = бп. п^л. п^п. п
где. Gn.n, сп. п, tUt п—масса, удельная теплоемкость и температура попутного
продукта.
Теплота, уносимая полученными отходами:
Здесь G0T, сот, /от — масса, удельная теплоемкость и температура отходов.
Теплота, уносимая печной средой, является величиной суммар-
суммарной и включает теплоту каждого ее компонента:
Теплота, уносимая транспортирующими средствами и приспо-
приспособлениями:
Q'b = <Wt
Теплота, уносимая охладителем (Qe), расходуется для создания
заданного температурного режима в элементах печной системы для
осуществления печных процессов (снижение температуры в системе)
и охлаждения конструктивных узлов и отдельных элементов печи
от перегрева. В качестве охладителя применяются вода, воздух
и Другие химические вещества. Теплота, уносимая охладителем:
где Go, ср, /ь t2—масса, удельная теплоемкость, начальная и конечная темпера-
температуры охладителя.
Теплота, теряемая излучением через открытые отверстия в фу-
футеровке печи:
Qi = Со [(Гпеч/100L - GУ100L] OFt
Здесь Со = 5,7 — коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м2-К)
Тпеч — температура печи, К; Тв — температура воздуха в цехе, К; Ф — коэффи-
коэффициент диафрагмирования (табл. 5); F — площадь открытого отверстия, м2; т —
время открытого состояния, ч.
Теплоту Qs, теряемую вследствие нарушения сплошности футе-
футеровки (термопарными трубками, выводами нагревателей, направля-
направляющими и осями роликов и т. д.), рекомендуется оценивать величи-
величиной, равной 50% от потерь теплоты стенками футеровки (Qio):
Теплота, расходуемая на аккумуляцию футеровки (Qg), и теплота,
теряемая в окружающую среду (Q(o), зависят от следующих факто-
141

ТАБЛИЦА 5
Ширина
отверстия,
мм
300
600
900
1200
1500
Коэффициент диафрагмирования Ф
Высота отверстия,
(толщина стенки 23.
250
0,70
0,78
0,79
0,81
0,82
450
0,73
0,80
0,83
0,85
0,86
600
0,76
0,82
0,85
0,87
0,89
мм
2 мм)
700
0,78
0,84
0,87
0,89
0,91
Ширина
отверстия,
мм
600
900
1200
1500
Высота отверстия,
(толщина стенки 46^
250
0,49
0,52
0,55
0,56
450
0,53
0,57
0,59
0,61
600
0,56
0,60
0,63
0,64
мм
[ мм)
700
0,58
0,62
0,65
0,67
ров: а) температурного режима и характера течения печных процес-
процессов (периодический или непрерывный); б) теплофизических свойств
и толщины фугеровочных материалов, из которых выполнены кон-
конструктивные элементы футеровки печи; в) теплового состояния футе-
футеровки печи перед нагревом или охлаждением; г) режима температур-
температурного равновесия футеровки (стабильное или циклическое).
Теплоту, расходуемую на аккумуляцию футеровкой, можно опре-
определить по формуле:
где V — объем футеровки, м3; р — плотность футеровки, кг/м3; /ь i2 — энтальпия
футеровки в начале и конце разогрева, кДж/кг.
ТАБЛИЦА 6. Коэффициенты
Материалы
Шамотные
Пол у кислые
Динасовые
Форстер итовые
Хромитовые
Магнезитовые
Хромомагнезитовые
Магнезитохромитовые
Силлиман итовые
Шамотные легковесные
То же
Пеношамотные
Шамотные ультралегковесные
Пенодинасовые
Диатомитовые
Пенодиамитовые
Асбестовый картон
Минеральный войлок
Вермикулитовые плиты
теплопроводности и тепловое сопротивление огне
Плотность,
кг/м3
1900-2150
1850—1950
1900-2100
2420—2630
3000—3200
2600—2800
2900—3150
2950-3040
2200-2400
1300
1000
600
300
1200
500
600
700
400
900
600
350—400
Предельная
температура
применения,
°С
1350—1400
1350—1450
1700
1350—1400
1650—1700
1650—1700
1700
1750
1650
1300
1250
1300
1100
1500
900
900
950
900
600
600
700
Коэффициент
теплопроводности,
Вт/(м. К)
1,041+1,512- \0~Н
0,872+5,23-10" Ч
1,581+3,84-Ю*
3,51—1,86- \0~Ч
1,28+4,07-10~4/
7,21—4,19-10-^
2,035—3,84-10-^
2,58—6,98 -10" Н
1,686—2,326-Ю/
0,5+1,63-ИГ4/
0,291+2,56-10/
0,1046+1,45- ю-4г
0,0582+1,745- \0~Ч
0,465+4,65-10*
0,1046+2,33-10/
0,1315+2,33-Ю-4/
0,1591+3,14-10/
0,0778+3,14-10/
0,1628+1,745-10*
0,093+2,56-10/
0,0814+1,51-Ю*
142

Наиболее полно приведенным выше факторам отвечает методика
В. Ф. Ратникова [30].
Теплота, теряемая футеровкой в окружающую среду:
'нар
Здесь tBll — температура внутренней поверхности футеровки; /нар — темпера-
температура наружной поверхности футеровки; R^ — суммарное тепловое сопротивление
футеровки.
Определить R^ можно по формуле
t = i
или используя табл. 6.
При известной температуре наружной поверхности футеровки
величину удельных тепловых потоков, теряемых в окружающее про-
пространство, можно определить из табл. 7.
По величине R^ к известной температуре внутренней поверхности
футеровки с помощью графика (рис. 12) можно определить тепловые
потери футеровкой в окружающее пространство, температуру пло-
плоскости соприкосновения слоев, температуру наружной поверхности
футеровки.
упорных
100
0,947
1,082
0,617
0,301
0,758
1,473
0,501
0,398
0,602
1,935
3,162
8,39
13,23
1,956
7,82
6,47
5,25
9,15
5,55
8,44
10,36
и теплоизоляционных
Тепловое сопротивление
200
0,934
1,024
0,603
0,319
0,735
1,57
0,511
0,41
0,61
1,877
2,929
7,48
10,75
1,792
6,62
5,63
4,51
7,12
5,06
6,94
8,96
300
0,921
0,972
0,59
0,339
0,714
1,68
0,521
0,422
0,619
1,822
2,721
6,75
9,06
1,655
5,74
4,98
3,95
5,81
4,65
5,89
7,9
400
0,908
0,924
0,576
0,361
0,694
1,806
0,532
0,434
0,628
1,769
2,544
6,15
7,82
1,536
5,06
4,46
3,51
4,92
4,3
5,12
7,05
материалов
1Д (в
500
0,895
0,882
0,564
0,388
0,674
1,955
0,543
0,448
0,637
1,72
2,388
5,64
6,88
1,434
4,53
4,04
3,16
4,26
4
4,53
6,37
м* К/Вт) при средних
600
0,882
0,843
0,552
0,418
0,657
2,129
0,554
0,463
0,647
1,673
2,25
4,85
6,14
1,344
4,1
3,7
2,88
3,76
700
0,869
0,807
0,541
0,453
0,640
2,34
0,567
0,478
0,657
1,628
2,12
4,53
5,55
1,265
3,74
3,4
2,64
3,36
800
0,856
0,775
0,53
0,495
0,624
2,59
0,579
0,495
0,667
1,586
2,01
4,25
5,06
1,195
3,44
3,153
2,44
3,04
гемпературах (i
900
0,843
0,744
0,519
0,544
0,608
2,906
0,592
0,512
0,678
1,546
1,91
4,00
4,65
1,132
1000
0,830
0,717
0,509
0,605
0,594
3,31
0,605
0,531
0,688
1,51
1,82
3,78
4,3
1,075
j °С)
1100
0,817
0,691
0,5
0,683
0,58
3,84
0,62
0,551
0,699
1,473
1,746
3,575
4
1,023
1200
0,804
0,667
0,49
0,782
0,566
4,59
0,635
0,574
0,711
1,43
1,673
0,976
143

ТАБЛИЦА 7. Значения удельных тепловых потоков в зависимости от температуры
наружной поверхности стенки
Температура
наружной
поверхности
футеровки, °С
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
80
85
90
95
100
105
ПО
115
120
130
140
150
футеровка
обоашен а
W |^ Ы 1 1 Ц X* £1 Ы
теплоотдающей
поверхностью
вверх
44
97
155
217
283
351
423
499
576
647
741
826
916
1009
1111
1198
1298
1398
1505
1610
1837
2072
2322
Удельный тепловой поток
вертикальная
футеровка
43
95
151
212
277
343
413
487
562
641
722
807
893
984
1076
1170
1268
1366
1470
1575 -
1794
2025
2270
, Вт/м2
футеровка обращена
теплоотдающей
поверхностью
вниз
42
93
148
207
270
334
404
476
549
626
706
786
872
960
1050
1142
1240
1332
1435
1538
1755
1980
2220
Теплоту, теряемую через под печи Q{\ можно определить следую-
следующим образом. Если под открыт снизу, то потери приравниваются
к потерям через стену печи, обращенную теплоотдающей поверх-
поверхностью вниз. Если под печи установлен на фундамент, то потери теп-
теплоты в грунт могут быть приняты равными 75% от величины потерь
теплоты через стенку печи.
Электрический баланс средств обеспечения и средств управления
печным процессом рассчитывают, исходя из расхода ее на работу
всего механического оборудования печного комплекса, работающего
на электрической энергии: вентиляторы, дымососы, насосы, вакуум-
вакуумные установки, компрессоры, приводные механизмы транспортных
средств, заслонок, задвижек, загрузочных и разгрузочных устройств,
механизмы перепуска электродов и т. д., по паспортным и расчетным
данным.
Завершающим этапом выполнения энергетического баланса яв-
является сведение всех статей прихода и расхода в таблицу, в которой
указывают статьи прихода и расхода в количественном и процентном
выражении, необходимые для анализа печного процесса, а расходы
топлива и электроэнергии являются исходными данными для заказа
энергетического обеспечения рассматриваемого печного процесса и
выполнения экономических расчетов.
144

1500
то
g/200
l?!>/000
900
800
700
АО-
го 18 16
1
200
I
I
55i
— 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2200
Потери тепла через футеровку во внешнюю среду, Вт/м2
95 105
30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160
Температура наружной поверхности футеровки, °С
Рис 12. График для определения тепловых потерь и температур наружной поверхности и плоскости сопри-
соприкосновения слоев футеровки.

3000-
2000-
Цюоо-
Щ
400-
300-
200-
150
100-
Ш-
50-
40:
30-
201
15'-}
11,5'--
400
т
■100
20 30 40 50 60 70 80 90 100 ПО 120 130 140150
40
30
■5,0
4,0
■з,о
2,5
2,0
\
х
\
\
ч
\
ч
\
ч.
Ф5-
V
\
ч.
X
Ф12'
\
\
\
\
\
\
х,
4
\
ч
\
/
3-
5
6
-?\
40\
X
100*
ч
\
>
т
\
Ч,
\
\
\
ч
б*\ б\
1
1
400
300
200
100
50
30,0
20,0 &
15,0 ^
10,0 *>
6,0
3,0
2,5
2,0
16
1,4
20 30 40 50 60 70 60 90 100 110 120130 14015<f
Температура, ° С
Рис. 13. Номограмма для определения вязкости мазута (с линиями основных эксплуатацион-
эксплуатационных параметров):
/ — максимальная вязкость для винтовых и шестеренчатых насосов; 2 — то же для поршне-
поршневых и скальчатых насосов: 3 — средняя вязкость для подачи насосами и для слива; 4 — ма-
максимальная вязкость для центробежных насосов производительностью 20—40 т/ч; 5 — макси-
максимальная вязкость для ротационных и паровых форсунок и в главной циркуляционной си-
системе; 6 — то же для воздушных форсунок высокого давления и для вентиляторных форсунок
низкого давления; 7 — предельная вязкость для механических форсунок и рекомендуемая
вязкость для паровых форсунок; 8 — рекомендуемая вязкость для воздушных форсунок
высокого и низкого давления; 9 — рекомендуемая вязкость для механических форсунок;
а — максимальная температура мазута в подогревателе (для мазутов с температурой вспышки
выше ПО °С); б — максимальная температура пара в подогревателе; в — температура подо-
подогревателя, при которой начинается осаждение углерода на поверхности подогревателя
@,5 мм в месяц).
Расчет процесса горения топлива. Топливо в печах сжигается
с целью получения теплоносителя с заданной температурой и хими-
химической активностью, которая необходима для осуществления термо-
термотехнологических процессов. В качестве топлива в печах в основном
применяется природный и печной газы, мазут. Химический состав
и физические свойства и теплотехнические характеристики топлив
приводятся в справочниках.
Номограмма для определения вязкости мазута приведена на
рис. 13.
При расчете горения топлива определяют: 1) теплоту сгорания
топлива; 2) количество воздуха (атмосферного или обогащенного
кислородом), необходимого для сжигания топлива при заданном
коэффициенте расхода воздуха а; 3) количество и химический со-
146

образующихся Продуктов сгорания; 4) температуру Горения
топлива.
Основные формулы, применяемые для расчетов сгорания топлива,
приведены а табл. 8.
Химическая активность теплоносителя (газовой печной срелы)
зависит от коэффициента расхода воздуха а: при а > 1 — окисли-
окислительная, при а = 1 — нейтральная и при а < 1 — восстановитель-
восстановительная. От значения а зависит температура, которая может быть до-
достигнута или выбрана, расход воздуха, количество и химический
состав продуктов сгорания. Эти зависимости приведены на рис. 14—17.
В расчетах сж.тания мазута при определении площади поверх-
поверхности нагрева змее;-и ков и расхода теплоты на разогрев удельную
теплоемкость мазута можно принять равной сс^ = 2 кДж/(кг-К),
а коэффициент теплопроводности 0,13 Вт/(м-К). Теплота плавления
мазута равна 170—250 кДж/кг. Оптимальное значение коэффициента
расхода воздуха, необходимого для полного сгорания мазута, при-
принимают обычно а = 1,1-т-1,2. При тонком распылении, хорошем сме-
смесеобразовании и благоприятных условиях в рабочей или топочной
камере полное сгорание топлива достигается при а = 1,05-т-1,1.
1,0 1,4 1,8
Коэффициент расхода
воздуха ос
A A ODD
7,26
1 ( Г I
500
1000 1500 2000 2500
Температура продуктов порания, °С
3000
Коэффициент расхода
воздуха ос
Количество воздуха,
м2/м5 газа
Количество продуктоб
с?орания, м5/м* яаза
15,49
16,99
17,04
18,54
Ь2
Ц59
20,09
Ь*
20,14
21,64
21,69
2319
',*
23,24
24,74
Ь*
24,79
7629
27,89
?938
2,0
30,99
1?4Н
2,5
38,72
40?!
3}0
46,48
4798
Рис. 14. График расчета сгорания в воздухе попутного нефтяного газа ((?£=59,4 МДж/м8).
147

£ ТАБЛИЦА 8. Формулы для расчета полного сгорания топлива
00
Наименование
величин
Низшая теплота сгорания
рабочего топлива
Расход кислорода на го-
горение при а = 1
Расход сухого воздуха
при а — 1
Расход сухого воздуха
при а> 1
Разность между объемами
продуктов сгорания и
воздуха
Объемы составляющих
продуктов сгорания
Объем продуктов сгора-
сгорания при а> 1
Твердое и жидкое топливо
qp = 340Ср + 1030Нр — 109 (Ор — Sp) — 25№р>
кДж/кг
VQt = 0,01 [1,867Ср + 5,6Нр + 0,7 (Sp — Op)]f
мЗ/кг
La = aL0, ы
VROz = 0,01 (l,867Cp + 0,7Sp), м3/кг
V =0 0l411 2HP -4- 1,244 (W^ -j- W )] м3/кг
VN2 = 0,0008Np + kNQz, м3/кг
Vo = (a — 1) VQo, м3/кг
Газообразное топливо
Qp = 127,7CO + 108H2 + 358CH4 +
+ 590C2H4 + 555C2H2 + 636C2H6 +
+ 913СзН8+ 1185C4H10+ 1465C5H12 +
+ 234H2S, кДж/м3
VOt = 0,01 Го,5 (СО + H2 + 3H2S) -f-
+ (m + -~^ J]CmHn - O2 j , mW
32, м3/кг (мЗ/м3)
^/кг (мэ/м3)
vRO2 = 0,01 со2 + (so2 + со + h2s -г
VHiO = 0.01 (H2° + H2+H2S+_^_y] СтНл),
М3/М8
VNt = 0,01N2 + kVQz, м3/м3
VOf =(«-!) ^ог> m3/v*'
^2м»Ткг^)/КГ (МЗ/М3)

Ё расчетах НеНоЛйого сгорайия газового топлива применяюФ
следующие формулы для определения количества (в м3/м3 газа): рас-
расходуемого воздуха L — aL*\ кислорода в расходуемом воздухе
VOl = aVo2 - 0,21 L* = 0,21aL*; продуктов сгорания Vg = V\ —
'- 0,79L* A —a); CO2 в продуктах сгорания Vco2 r-= {—В -f
+ /#2 +4(*-1)уг0, tVo)a +КЙво'-К6,0-а)П/[2(* -1)];
CO в продуктах сгорания Усо = Усо, — Vco,; водяных паров в про-
продуктах сгорания: KHio = ^со2 + УЙ2о — ^н,о — 2 A — а) У62;
водорода Кн, = Ксо, + 2 A — а) Ко, — Ксо,; азота Kn2 =
= аКй, + KNi.
Здесь /г — константа равновесия реакции водяного газа (k = Н2/Н2О); В =
= Уи2о — (^ — 2) F£Oe -f 2Vfrt A — а) (/г — 1). Звездочкой отмечены величины,
относящиеся к случаю полного сгорания (а = 1,0).
Состав продуктов неполного сгорания природного газа приведен
в табл. 9.
Как следует из табл. 9 и рис. 17 наиболее предпочтительным
коэффициентом расхода воздуха на сгорание природного газа яв-
является а = 0,8, поскольку в этом случае полностью отсутствует
£ Коэффициент расхода
воздуха ос
1000 1500 2000
Температура продуктов сгорания?С
5000
Коэффициент расхода
воздуха ос
Количество воздуха,
М3/м3 газа
Количество продуктов
аорания, м3/м* газа
10
9,43
10,47
11
10,37
11,41
1?
11,32
12,36
13
12,26
13,30
14
13,20
14,24
15
14,14
15,19
V
15,09
16,13
1,6
16,97
18,01
2,0
18,86
19,90
23,56
24,62
3,0
26,29
29,33
Рис. 15. График расчета сгорания в воздухе природного газа (<?„ = 35,6 мДж/м3).
149

1,0 1,8 2,6
Коэффициент расхода
При ol-1,0
плотность
продуктов
а орани я
5Q0
1000 1500 2000
Температура продуктов сгорания, °С
2500
2000
Коэффициент расхода
воздуха ос
Количество воздуха,
ms3/k? мазута
Количество продуктов
с-гораная, м3/кг мазута
1,0
10,44
11 05
1,1
11,48
1?0ч
1,2
Г? 55
ГЛ4
1,3
13 V
14 td
1,4
14 b?
1*?1
1,5
1566
16??
1,6
1610
17,31
1,8
18,79
1940
2,0
20,86
21,49
2,5
26,10
26,71
3,0
31J2
31,93
Рис. 16. График расчета сгорания в воздухе мазута марки 100 при распылении воздухом.
кислород и температура горения газа находится на уровне, наиболее
часто применяемом для проведения термотехнологических процессов.
На рис. 17 и 18 приведена зависимость неполного сгорания при-
роднэго газа при температуре 1100—1300 °С от коэффициента рас-
расхода воздуха.
При сжигании газового топлива воздухом, обогащенным кислоро-
кислородом, наиболее эффективным является содержание его около 40%,
а при увеличении содержания кислорода выше 40% эффективность
повышается незначительно.
ТАБЛИЦА 9. Состав сухих продуктов сгорания природного газа [в % (об.)] в
зависимости от коэффициента расхода воздуха
Компоненты
со2
о2
CO
н2
сн4
N2
Коэффициент расхода воздуха а
0,65 <
5
10,2
10
1,4
73,4
0,7
5,6
8,4
8,1
1
76,9
0,8
7,3
5,2
4,9
0,6
82,0
0,9
8,6
0,3
2,8
2,3
0,2
85,8
1,0
9
2
1
0,8
87,2
150

Количества кислорода Vo2 и воздуха VB в зависимости от про-
процентного содержания кислорода в воздухе R определяются по фор-
формулам:
, - 21 Я-21 г _ 17, _ 21 100-
79
R
°
где Zo — количество воздуха для сгорания, м^м3 газа.
Количество продуктов сгорания V'g:
где Vg — количество продуктов сгорания при a = 1, м3/м3 газа.
Температура горения топлива является одной из главных тепло-
теплотехнических характеристик. Различают следующие температуры
горения топлива: калориметрическую (жаропроизводительность),
теоретическую, практически достижимую и рабочую.
Калориметрическая температура может быть определена по фор-
формуле:
Здесь <?£ ~" теплота сгорания, кДж/мя; £физ — физическая теплота топлива
и воздуха, кДж/м3; v — объем продуктов сгорания, образующихся при сгорании
3 42000 -
^37800 -
§29400
*%25200
^21000
5 16800
| 12600
01 6400
4 200
Коэффициент расхода воздуха a
Количество продуктов сгорания,
м9/м3 газа
Количество воздуха, м3/м* -газа
0,9
10,26 9,54 8,81
0,8
0,7
9,25 0?2 7,40 6,4в 5,55 4&
Ofi
6,0в7,35
4*2
500 1000 1500 2000
Температура продуктов сгоранияt°C
2500
Рис. 17. График расчета неполного сгорания природного газа \q\ = 35,16 МДж/м')-
151

0,5 0,6 OJ
ос
Рис. 18. Отношения СО/СО2 и Н3/Н,О в продук-
продуктах неполного сгорания природного газа в зави-
зависимости от коэффициента расхода воздуха а:
/ — попутный нефтяной газ QJjj = 51 МДж/ма;
2 — природный газ (<?£ = 35.16 МДж/м»).
1 м3 топлива, м3; сср — средняя объемная
теплоемкость продуктов сгорания при по-
v стоянном давлении и температуре в преде-
0,4 0,5 0,6 0,7 лах от 0 до /к, кДж/^-К). Все эти вели-
а чины могут быть отнесены и к единице массы.
Теоретическая температура горения /теОр учитывает потери теп-
теплоты при эндотермических реакциях диссоциации продуктов горе-
горения. В практических расчетах эта температура не используется.
Практически достижимой температурой /д называется темпера-
температура горения топлива в реальных условиях. При определении ее
значения учитываются тепловые потери в окружающую среду, дли-
длительность процесса горения, метод сжигания и другие факторы.
Эта температура является основной расчетной и определяется из
уравнения:
(д = Лпир^к
где TJugp — эмпирический пирометрический коэффициент.
Коэффициент т]пир характеризует полноту сгорания топлива,
однако является однозначной характеристикой рабочей или топоч-
топочной камер печи, так как зависит еще от степени охлаждения пламени,
т. е. от устройства рабочей или топочной камер, ее размеров, тепло-
воспринимающих поверхностей и нагрузки. При расчетах печей
Лпир нужно принимать в пределах 0,65—0,75.
Рабочей температурой горения /р&б называется температура, оп-
определяемая осуществляемым термотехнологическим процессом при
коэффициенте расхода воздуха а или введении инертных газов.
Рабочая температура горения должна быть выше температуры вос-
воспламенения топлива.
Давление РВУ температуру tB и влагосодержание воздуха dBf WB
(в весовых или объемных единицах, соответственно), если они не за-
заданы, рекомендуется принимать для всех расчетов следующими:
Рв = 1-104 Па; /в = 25 °С; dB = 10 г/кг или 12,9 г/м3 сухого воз-
воздуха; WB = 0,016 м3/м3 сухого воздуха. Плотность воздуха рв =
= 1,155 кг/м3.
При расчетах печей динамический коэффициент вязкости влаж-
влажного воздуха с нормальной влажностью d = 10 г/кг можно прини-
принимать с допустимой погрешностью таким же, что и для сухого воздуха.
Расчет горения осуществляется на 1 м3 и на 1 кг топлива. Мате-
Материальный баланс процесса горения топлива составляется на полный
расход топлива. Полученные количественные значения расхода воз-
воздуха и полученных продуктов учитываются в материальном балансе
всего печного процесса.
Теплогенерация в печах. При проектировании конкретного печ-
печного процесса источник теплогенерации выбирают, исходя из видов
152

располагаемых источников теплогенерации в месте строительства
печей, возможности получения заданных температур в рабочей ка-
камере печи, требований к чистоте получаемых целевых продуктов,
экологических требований, гидравлического режима в рабочей ка-
камере (вакуум, давление).
Источниками теплогенерации в печах являются теплоты: 1) эк-
экзотермических химических реакций исходных материалов и специаль-
специально вводимых в печь горючих материалов (топлива), 2) преобразо-
преобразования электрической энергии, 3) излучения солнца; 4) комбиниро-
комбинированная.
Выбор типа и числа сжигательных устройств в печах. Пламен-
Пламенные печи оснащаются устройствами для сжигания горючих исход-
исходных материалов и дополнительно вводимого в процесс топлива.
Для сжигания газовых горючих исходных материалов в основ-
основном применяются топливные газовые горелки, а для сжигания жид-
жидких исходных горючих материалов (серы, фосфора и др.) исполь-
используются специально разработанные форсунки, существенно отчича-
ющиеся от мазутных.
При выборе типа сжигательных устройств необходимо рассма-
рассматривать условия смесеобразования горючих материалов и окислите-
окислителя с зажиганием и горением этой смеси в рабочей и топочной камерах
печей во взаимосвязи для обеспечения рационального сжигания.
Вследствие этой взаимосвязанности необходимо совместно оцени-
оценивать и выбирать сжигательные устройства с объемом рабочей и то-
топочной камер, их геометрию, а для отдельно стоящих топок — ком-
компоновку с печью. Необходимо, чтобы сжигательные устройства и
конструкция футеровки обеспечивали очаг горения горючих мате-
материалов с окислителем, который должен подаваться в достаточном ко-
количестве для обязательного завершения процесса горения в рабочей
или топочной камерах при условии непрерывного удаления обра-
образующихся продуктов горения.
Принимаемые к установке в печах и топках горелки (форсунки)
должны обеспечить сжигание заданного количества топлива для по-
получения теплоносителя с требуемой температурой, давлением и хи-
химической активностью.
Количество сжигаемого топлива, которое должно быть подго-
подготовлено в горелке (форсунке), определяется тепловым расчетом по-
получения теплоносителя.
Давление топлива и окислителя перед горелкой (форсункой) оп-
определяется требуемым давлением (разрежением) теплоносителя в
печи и после топки с учетом сопротивления горелки (форсунки) и
топки.
Требуемая химическая активность теплоносителя обеспечивается
принимаемым коэффициентом расхода воздуха а в горелке (форсун-
(форсунке) и воздухом или инертным газом, подаваемым в камеру смешения
топки для снижения температуры продуктов горения топлива. На-
Напомним, что химическая активность теплоносителя при а < 1 вос-
восстановительная, при а = 1 — нейтральная и при а > 1 —окис-
—окислительная.
153

Получение необходимой фэрмы пламени (длина и диаметр) обес-
обеспечивается количеством установленных горелок (форсунок) и их
типом, создающими определенное относительное движение топлива
и окислителя (прямоструйное, встречных потоков, турбулентное).
Устройства для сжигания топлива в печах подразделяются на
газовые горелки, мазутные форсунки и газомазутные форсунки.
Сжигательные устройства по технологическим особенностям мо-
могут быть общего и специального назначения. Сжигательные устрой-
устройства общего назначения применяются для установки в рабочих или
топочных камерах многих типов печей. Сжигательные устройства
специального назначения устанавливаются только в рабочих каме-
камерах некоторых типов печей, в которых осуществляются определен-
определенные термотехнологические процессы, имеющие свои специфические
особенности (длиннопламенные, беспламенные, с инертным разба-
разбавителем и т. д.).
Технологическим требованием при выборе горелок является спо-
способ подвода воздуха, необходимого для горения. Длиннопламенные
горелки, в которые воздух поступает непосредственно к пламени
из окружающей атмосферы, обеспечивают достижение в рабочей
камере печи высоких температур на длинных участках. Такие го-
горелки типа ВРГ применяются во вращающихся печах. В инжек-
ционные горелки воздух засасывается из окружающей среды; они
применяются в нагревательных, трубчатых печах, работающих
с а > 1. Дутьевые горелки, в которые воздух нагнетается, приме-
применяются в большинстве типов печей. В этих горелках возможно по-
получение теплоносителя с восстановительной, нейтральной или окис-
окислительной химической активностью в зависимости от принимаемой
величины а. Они дают возможность автоматически регулировать
процесс сжигания.
Основными характеристиками сжигательных устройств является
количество топлива, которое может быть сожжено в 1 ч, геометрия
пламени (длина, форма и максимальный диаметр) и параметры по-
полученных продуктов горения (температура, давление и химическая
активность). Длину пламени в зависимости от вида топлива можно
определить по эмпирическим формулам.
Длину мазутного пламени Б. И. Китаев предлагает определять
по следующей формуле:
л , 60
где Ln —длина пламени, м; Vo — удельный расход распылителя, м3/кг; d0 — диа-
диаметр сопла форсунки, м.
Формула получена для струйных форсунок высокого давления
на основе практики работы мартеновских печей. Для большинства
других форсунок она требует экспериментальной проверки.
Дальнейшие исследования пламени при турбулентном режиме
в условиях свободной струи привели к формуле:

Здесь k — коэффициент, зависящий от теплоты сгорания топлива и равный
0,016<?Р (для мазута он составляет 1,5—1,6); w — скорость истечения газа из сопла
или насадки, м/с.
Для расчёта длины свободного турбулентного пламени газового
топлива Lu может быть использована упрощенная формула, получен-
полученная С. И. Авериным и И. Д. Семикиным:
Рт/ "теор
где cIq — диаметр газового сопла, м; Q|J — теплота сгорания газа, кДж/кг; Утеор —
теоретический расход воздуха, iv^/m3; рг — плотность газа, кг/м3.
Б. И. Китаев и П. В. Левченко получили формулу для видимой
длины свободно распространяющегося турбулентного пламени (газ
холодный):
где к — коэффициент, зависящий от теплоты сгорания и состава горючего газа и
равный @,24/4187) <?£; wr — действительная скорость истечения газа, м/с.
Е. И. Казанцев и И. Д.'Семикин длину турбулентного пламени
различных коксо-доменных смесей при сжигании в спокойном воздухе
предлагают определять по следующей формуле:
Ln= 3,75/0,925^ E.
где Одо — осевая скорость, м/с.
При сжигании топлива в потоке воздуха, движущегося со ско-
скоростью wB:
По исследованиям И. Д. Семикина, длину пламени можно опреде-
определить из формулы:
У (Гг/273) + D/о/г) /273/ГГ
где VB — расход воздуха, м3/с; Тг — температура газа.
По данным Е. И. Казанцева, при скорости истечения газа 30 м/с
и скорости параллельно идущего воздуха wr ^ 5 м/с можно поль-
пользоваться формулой:
Длину турбулентного пламени газовоздушной смеси можно рас-
рассчитывать по упрощенной формуле Аверина—Семикина:
£п - 0,484 "[Л„. с (« + *«) Рем
Здесь tn> с = 9дМ + iCM 4* U^Vcm — калориметрическое теплосодержание про-
продуктов полного сгорания при сжигании 1 кг смеси газа с воздухом, кДж/кг; 0£м =
«= фг(?2 — теплота сгорания 1 кг газовоздушной смеси с коэффициентом расхода
155

первичного воздуха аь кДж/кг; фг = -т— г ~ масса газа в смеси,
1-Га1^теор рем
кг; фв = 1 тв°Р Ее масса воздуха в смеси, кг; рв, рг, рсм— плотности
1+а1^теор Рсм
воздуха, газа и газовоздушной смеси, кг/м, Wa = Wcpr — фв — стехиометрическое
число первичной газовоздушной смеси, если ее рассматривать как самостоятельный
горючий газ (при коэффициенте расхода первичного воздуха аг), кг/кг.
По данным Н. Н. Норкина, высота внутреннего конуса пламени Ни
при пламенном сжигании горючих смесей газа с первичным возду-
воздухом может быть найдена по уравнению:
где wr — скорость истечения газовоздушной смеси, м/с; и — скорость распростра-
распространения пламени, м/с.
Число сжигательных устройств определяется из условия одно-
однотипности и одинаковой тепловой мощности (производительности по
топливу) и возможности достижения регулируемого теплового и
температурного режима в рабочей камере печи.
Для вращающихся печей рекомендуется одно центрально уста-
установленное сжигательное устройство, такое же количество для не-
некоторых типов стекловаренных печей, а для большинства типов
печей рекомендуется два и более сжигательных устройств с воз-
возможностью получения необходимого профиля температур в объеме
или длине (высоте) рабочей камеры. В туннельных печах рекомен-
рекомендуется первое сжигательное устройство размещать в зоне с темпе-
температурой 600 °С и выше. На рис. 19 представлены различные вари-
варианты расположения сжигательных устройств в рабочей камере пе-
печей.
Местом расположения сжигательных устройств могут быть рабо-
рабочие или топочные камеры печей.
При химической совместимости протекания в одном объеме од-
одновременно химических реакций получения целевого продукта и
реакции горения топлива, а также при допустимости возникающих
температур пламени для осуществления термотехнологических про-
процессов сжигательные устройства устанавливаются только в рабочей
камере печи.
В рабочей камере сжигательные устройства размещают на стенах,
сводах, подинах горизонтально, вертикально, наклонно, танген-
тангенциально и т. д.
При сжигании газового топлива в отдельно стоящих цилиндри-
цилиндрических топках наиболее предпочтительна установка одной централь-
центральной горелки, если ее пропускная способность обеспечивает необхо-
необходимую глубину регулирования производительности.
Установка в цилиндрической топке одной горелки упрощает ав-
автоматическое регулирование теплопроизводительности, обеспечение
безопасности эксплуатации и контроля за ее работой. При этом
имеется возможность приблизить конфигурацию топки к форме
пламени.
156

Рис. 19. Расположение сжигательных устройств в печах:
а — горизонтальное; б — подовое; в — сводовое.
Безопасный розжиг одной горелки большой тепловой мощности
вызывает необходимость установки пусковой горелки малой мощно-
мощности, которая в дальнейшем отключается.
Для цилиндрических топок большой тепловой мощности число
горелок может быть равно трем, что обеспечивает лучшую суммар-
суммарную форму пламени, близкую к сечению топки, и меньшую длину
камеры горения с одновременным увеличением поперечного сечения.
Пуск такой конструкции топки производится одной из горелок.
Число газовых горелок, устанавливаемых в топках нецилиндри-
нецилиндрической конструкции (особенно встроенных), принимается в зависи-
зависимости от удобства эксплуатации, ширины или высоты создаваемой
бгневой зоны и особенности обеспечения технологического процесса.
При сжигании в печах и топках жидкого топлива наиболее целе-
целесообразна установка нескольких форсунок. При этом принимаются
во внимание следующие соображения: 1) в форсунках малой про-
производительности тоньше распыливание топлива, более лучшее сме-
смешение топлива с окислителем, что создает более короткое пламя го-
горения, а следовательно, более компактнее и совершеннее конструкция
топки; 2) прекращение работы одной из форсунок не влечет за собой
остановку печи; 3) зажигание потухшей форсунки от соседних рабо-
работающих форсунок производится без затруднений; 4) упрощается
регулирование теплопроизводительности в печи путем изменения
числа работающих форсунок вместо изменения расхода топлива в од-
одной форсунке.
157

Совместное сжигание различных видов топлива в печах и топках,
где получаемый теплоноситель должен строго соответствовать за-
заданным параметрам, нежелательно.
Устройства для сжигания различных видов топлива сложны
и, как показала практика, неудовлетворительно работают не только
при совместном сжигании, но и при сжигании одного из принятых
видов топлива. При наличии природного газа технологические по-
потребности удовлетворяются им полностью.
Как было показано ранее, условия сжигания газа и жидкого
топлива различны, различны длины пламени горения и их диаметры,
различны давления воздуха перед горелкой и форсункой. Конфигу-
Конфигурации рабочей и топочной камер не соответствуют переходу с одного
вида топлива на другой.
Совместное сжигание природного газа и реакционных газов от
печей в каждом случае должно быть рассмотрено отдельно.
Горелки газовые. Горелками называются устройства
для перемешивания топливного газа и окислителя и регулируемой
подачи этой смеси на горение.
В настоящее время в промышленности применяются различные
конструкции горелок для сжигания газа. В данной работе рассма-
рассматриваются только те типы горелок, которые показали хорошие экс-
эксплуатационные качества на практике и могут быть рекомендованы
для установки их на печах и отдельно стоящих топках.
Каждая газовая горелка рассчитана на определенные режимные
и конструктивные параметры. Согласно ГОСТ 17356—71, установ-
установлены следующие основные определения параметров и характеристики
их.
1. Номинальная тепловая мощность—максимально достигну-
достигнутая мощность при длительной работе горелки, химической неполноте
сгорания, не превосходящей установленной нормы при принятом
коэффициенте расхода воздуха.
2. Номинальные давления газа и воздуха перед горелкой — дав-
давление газа и воздуха непосредственно перед горелкой, соответству-
соответствующие номинальной тепловой мощности при атмосферном давлении
в камере сгорания.
3. Номинальная относительная длина пламени — расстояние по
оси пламени от выходного сечения горелки, измеренное при номи-
номинальной тепловой мощности в калибрах выходного отверстия, до
точки, где концентрация СО2 при коэффициенте расхода воздуха
а = 1 составляет 95% от максимального значения.
4. Коэффициент предельного регулирования горелки по тепло-
тепловой мощности — отношение максимальной тепловой мощности к ми-
минимальной тепловой мощности. При этом максимальная мощность
составляет 0,9 мощности, соответствующей верхнему пределу устой-
устойчивой работы горелки, а минимальная — 1,1 мощности, соответ-
соответствующей нижнему пределу устойчивости работы горелки.
5. Коэффициент рабочего регулирования горелки по тепловой
мощности — отношение номинальной тепловой мощности к мини-
минимальной тепловой мощности, :

6. Удельная металлоемкость — отношение массы горелки к но
минальной тепловой мощности.
7. Давление (разрежение) в камере горения — давление (разре-
(разрежение) в камере горения в зоне выходного сечения при номинальной
тепловой мощности.
К газогорелочным устройствам предъявляются следующие основ-
основные требования: 1) конструкция должна быть по возможности ком-
компактной и простой в изготовлении, удобной, надежной и безопасной
в эксплуатации, несложной в ремонте и не должна содержать эле-
элементов с пониженной стойкостью в работе; 2) горелки, работая при
заданной производительности, должны обеспечить полное сжигание
газа с требуемым расходом воздуха; 3) пределы регулирования горе-
горелок и характеристики пламени должны удовлетворять необходимые
требования работы печи и быть не менее 1 : 3; 4) конструкция горе-
горелок должна предусматривать удобство зажигания, регулирования и
возможность автоматического поддержания необходимых соотноше-
соотношений газа и воздуха при изменении нагрузки и режимных параметров
потребителей теплоносителя; 5) шум, создаваемый горелкой, не
должен превышать 85 децибелл (под шумовой характеристикой
горелки имеется в виду уровень звукового давления, создаваемого
работающей горелкой в зависимости от спектра частот).
Горелки ГНП конструкции института Теплопроект (рис. 20, табл. 10) пред
назначены для сжигания высокотеплотворного природного газа и предпочтительны
перед всеми другими двухпроводными горелками для установки практически т
большинстве конструкций печей и топок, работающих под давлением или разре-
укением
Корпус горелки — чугунный, с боковым подводом в него воздуха. Газ подво-
подводится по оси через газовый патрубок (сопло), который служит и торцевой крышкой
корпуса. Наконечник газового сопла — съемный, с наружным кольцом на распор-
распорных ребрах. Кольцо наконечника входит в специальный паз в корпусе горелки,
благодаря чему обеспечивается соосность газового сопла и выходного патрубка
горелки. Распорные ребра изогнуты так, что одновременно служат и лопатками
для закручивания воздуха.
Рис. 2 0. Горелка ГНП конструкции института Теплопроект:
/ — корпус горелки; 2 — сопло газовое; 3 — плита; 4 — камень горелочный.
159

400
400г
250 750 1250 1750 2250 2750 Па
Рис. 21. График для подбора горелок ГНП конструкции института Теплопроект в зависи-
зависимости от расхода газа и его давления.
Рис. 22. График для определения давления воздуха перед горелкой.
Наконечники газового сопла могут быть двух типов, отличающихся наличием
трех распорных и закручивающихся лопаток и одного отверстия для выхода газа
по оси горелки; для другого типа характерно большее число лопаток для закручи-
закручивания и выход газа через несколько отверстий, просверленных на наконечнике
по окружности (горелки ГНП-9 имеют 8 ребер и 8 отверстий под углом 30° к оси
горелки).
Горелки работают устойчиво и спокойно во всем диапазоне изменения нагру-
нагрузок. Они просты и надежны в эксплуатации.
Горелки следует подбирать по графикам. По заданному расходу газа согласно
рис. 21 определяется номер типоразмера и давление газа, а по рис. 22 при известном
расходе газа и номере типоразмера определяется давление воздуха перед горелкой.
Зависимость длины пламени от номера горелки представлена на рис. 23.
Расходные характеристики, приведенные на рис. 21 и 22, составлены для при-
природного газа с теплотой сгорания Q% = 35,6 МДж/м3, р = 0,73 кг/м3. Температура
воздуха принята равной 0 °С, коэффициент расхода воздуха а = 1,05. Давление
в топке — 50—100 Па.
При подогреве воздуха производительность горелок снижается. Максимально
допустимая температура подогрева воздуха равна 500 °С.
В случае работы горелок на подогретом воздухе и на газе с параметрами, отлич-
отличными от описанных выше, в целях сохранения тепловой мощности горелки произ-
производится пересчет давлений воздуха и газа.
ТАБЛИЦА 10. Основные размеры горелок ГНП-l-r-ГНП-9 конструкции
института Теплопроект (в мм)
Горелки
ГНП-1
ГНП-2
ГНП-3
ГНП-4
ГНП-5
ГНП-6
ГНП-7
ГНП-8
ГНП-9
А
340
340
340
340
450
450
560
560
680
Б
410
410
410
410
580
580
650
650
760
в
310
310
310
310
460
460
540
540
620
г
370
370
370
370
520
520
600
600
700
Д
430
430
430
430
600
600
680
680
790
Е
210
210
210
210
310
310
215
215
265
Ж
205
220
260
290
330
365
410
460
500
и
160
170
195
215
240
260
290
325
355
К
204
204
204
204
356
356
438
438
523
160

В печах и топках, где необходимо получить теплоноситель восстановительной
активности, горелки могут работать с коэффициентом расхода воздуха а = 0,4.
Для стабилизации горения горелки ГНП устанавливаются с горелочным кам-
камнем. При установке камня необходимо обеспечить соосность его и носика горелки.
Зазор между носиком горелки и горелочным камнем необходимо заполнить уплот-
уплотни гельной массой на жидком стекле.
Нормализованная конструкция плиты, при помощи которой горелка крепится
к каркасу или кожуху печи и топки, обеспечивает работу горелки только при на-
наличии разрежения в ней или небольшого давления 5—10 Па.
Для установки горелки в печах и топках, работающих* под давлением, плита
должна быть специального изготовления, при этом гляделку и запальное отверстие
нужно выполнять герметичными.
Горелки ГНП разработаны девяти типоразмеров с производительностью от 1,4
до 365 м3/ч по природному газу и выпускаются с двумя наконечниками газового
сопла «тип А» и «тип Б», что чрезвычайно важно при комплектации топки оборудо-
оборудованием.
Максимальное допустимое давление газа для сопла «тип А» — 8 кПа. Рекомен-
Рекомендуемый нижний предел давления газа Рг = 1 кПа.
Горелки устойчиво работают при изменении коэффициента расхода воздуха а
в пределах от 0,7 до 1,4 и теплоте сгорания (?£ от 25 до 50 МДж/м3.
Диапазон регулирования производительности горелок — до 1:8.
Пересчет давлений воздуха и газа при изменении коэффициента расхода воз-
воздуха а при неизменном расходе газа с теплотой сгорания Q|j = 35,6 МДж/м8 произ-
производится следующим образом. Сначала определяется расход воздуха V'B при задан-
заданном значении а:
vв — оу в
где В — расход газа, м3; VB — расход воздуха при а = 1,05, равный 10,2 м3/м3.
Далее определяется, какой производительности горелки по газу В' соответ-
соответствует VB при работе с а= 1,05:
В' = V;/10,2
По расходу газа В' согласно рис. 21 определяется давление воздуха Р'п, кото-
которое соответствует расходу воздуха, необходимого для сжигания газа при задан-
заданных а.
Определяется давление газа P'v перед горелкой для сопла «тип А»:
Р' — р 4-0 4 IP' Р \
Б»
а для сопла «тип
0,25 (Рв-Рв)
где Рв и Рг — давления воздуха и газа
при расходе В и а — 1,05 по рис. 22, Па.
При сжигании газа с теплотой сго-
сгорания (?£', отличной от принятой (?£=
= 35,6 МДж/м3, перерасчет производится
следующим образом.
Давление воздуха Р'ъ при расходе
газа В определяется по формуле:
Рис. 23. Зависимость длины пламени от но-
номера горелки ГНП конструкции института
Теплопроект:
/ — сопло «тип А»; 2 — сопло «тип Б».
6 Исламов М. Ш.
2 3 4 5 6
Номер горелки
161

где п и п' — кратности расхода при сжигании газов, м3 воздуха/м3 газа.
Так как выражение Q%n/(Q%n) для высококалорийных газов близко к единице,
формулу можно упростить и с достаточной точностью принять Рв = Р^'
Дазление газа для горелки с соплом «тип А»:
где а =
35 600 12
кг/м3.
При применении сопла «тип Б»
. — объемная масса сжигаемого газа,
ТАБЛИЦА 11. Основные размеры инжекционных горелок среднего давления
ГИП конструкции института Теплопроект
Горелки
ГИП-1,
тип I
ГИП-1,
тип II
ГИП-2,
тип I
ГИП-2,
тип II
ГИП-3,
тип I
ГИП-3,
тип II
ГИП-4,
тип I
ГИП-4,
тип II
ГИП-5,
тип I
ГИП-5,
тип II
ГИП-6,
тип I
ГИП-6,
тип II
ГИП-7,
тип I
ГИП-7,
тип II
ГИП-8,
тип I
ГИП-8,
тип II
ГИП-9,
тип I
ГИП-9,
тип II
d,
(V2)
(V2)
C/4)
C/4)
C/4)
(%)
A)
A)
AV4)
О1/,)
AV2)
B)
B)
B)
B)
BV2)
BV2)
1,9
1,8
2,6
2,5
2,9
2,8
3,8
3,6
4,9
4,6
5,8
5,5
7,5
7,5
9,5
9,5
11,0
11,0
27
27
36
36
41
41
53
53
68
68
80
80
106
106
131
131
156
156
41
41
54
54
62
62
80
80
102
102
120
120
159
159
197
197
234
234
30
30
40
40
45
45
58
58
75
75
88
88
117
117
144
144
171
171
Размеры,
40
40
55
55
65
65
80
80
105
105
121
121
150
150
200
200
240
240
82
82
108
108
123
123
159
159
202
202
240
240
318
318
395
395
470
470
мм (дюймы)
108
108
144
144
163
163
212
212
272
272
320
320
424
424
524
524
624
624
40
40
48
48
48
48
63
63
73
73
83
83
70
70
90
90
120
120
h
100
—
120
__
120
—
140
—
160
—
200
—
270
—
300
—
330
L
299
375
399
490
445
552
562
680
701
839
839
1004
1125
1265
1388
1523
1593
1783
А
—
—
—
—
—
—
—
—
—
208
373
200
430
330
485
420
610
н
—
—
—
—
—
—
—
—
—
175
175
210
210
250
250
250
250
БхБ
90X90
90X90
120Х 120
120Х 120
130Х 130
130Х 130
145Х 145
145Х 145
170Х 170
170Х 170
180Х 180
180Х 180
—
—
—
—
—
—
162

В случае применения подогретого воздуха необходимое давление его опреде-
определяется по формуле
D>-D У „™. ZV-D 273 + '
или
273
где t — температура подогретого воздуха, °С.
Давление газа перед горелкой с соплом «тип А» в этом случае определяется
по формуле
а при применении горелки с соплом «тип Б»
Горелка инжекционная среднего давления конструкции института Теплопроект
рис. 24 и 25, табл. 11). Инжекционные горелки являются сжигательными устрой-
Рис. 24. Горелки инжекциониые среднего давления конструкции института Теплопроект
типа ГИП (ГИП-1-Г-ГИП-6) прямые (а) и угловые (б):
/ — смеситель; 2 — носик горелки; 3 — горелочный камень.
О* 163

ствами с полным предварительным смешением газа с воздухом, что позволяет осу-
осуществить полное интенсивное сжигание газа с коэффициентом расхода воздуха,
близким к единице. Эти горелки просты в изготовлении и эксплуатации.
Диапазон производительности горелок, разработанных различными проектными
институтами, примерно один и тот же. Однако по конструкции и размерам отдель-
отдельных деталей инжекционные горелки отличаются друг от друга, поскольку расчет
производится не по единой общепринятой методике, а с различными допущениями.
Некоторые исходные данные (теплота сгорания газа, плотность) также отли-
отличаются.
Рис. 2S. Горелки инжекциониые среднего давления конструкции института Теплопроект
типа ГИП (ГИП-7-5-ГИП-9) прямые (а) и угловые (б):
I — смеситель; 2 — носик горелки; 3 — горелочный камень,
164

no
120
100
0 20 40 60 80 100 кПа
i
3 40
20
40
30
I
—
J
1
I
/
у
/
/
0
ги
140
\120
T
100
P0 40 60 80 100 кПп
8
«5
60
/
1 A
f
n
1
I.,nl7
M
?5
/
В
ft
■ e
4
ниша
+**
ги
/7-3
ГИП'2—
20 40 00 Л7 /00
I
/
/
/
-»*
■a*
>*
г
/
\k П
u
-J
—-
0 ZO 40 60 80 100
Рис. 26. Зависимость расхода природного газа от его давления перед горелкой ГИП:
а — прямой (тип I)J б — угловой (тип II).
Смеситель горелки выполняется в виде нормального инжектора с центральным
соплом, через которое газ подается с большой скоростью. Воздух засасывается
струей из окружающей атмосферы. Для нормальной работы таких горелок необхо-
необходимо, чтобы давление природного газа перед соплом составляло 50—100 кПа, Эти
горелки рассчитаны на сжигание природного газа с теплотой сгорания Qj-J =
= 35,6 МДж/м3 при коэффициенте расхода воздуха а — 1,05, противодавлении
в камере горения топки 10 Па, плотности газа 0,73 кг/м3. Диапазон регулирования
производительности горелок равен 1 : 3. При расчетном давлении газа 100 кПа
горелки (девять номеров) могут работать в диапазоне нагрузок 4—140 mVm.
Горелки ГИП-7—ГИП-9 отличаются от горелок ГИП-1—ГИП-6 тем, что у них
охлаждаемые головки.
Зависимость расхода природного газа от его давления перед горелкой приве-
приведена на рис. 26.
Горелки могут быть использованы и для сжигания высококалорийных газов
с различной теплотой сгорания, но тогда необходимо пересчитать диаметр сопла.
165Г

Для сохранения расчетной теплопроизводительности горелки расход газа опреде-
определяют по формуле:
где V'T — искомый расход газа, м3/ч; Vr — расход природного газа, соответству-
соответствующий горелке заданной теплопроизводительности, м3/ч.
Необходимое давление газа:
QP \2
г г Ро.г \ Vr 1 ' Ро.г \ QP'
Здесь Р'г — искомое давление газа, Па; Рг — давление природного газа, Па;
Рог —плотность применяемого газа, кг/м3, р0. г — плотность природного газа,
кг/м3; (?£ — теплота сгорания природного газа, кДж/м3; (?£'—теплота сгорания
применяемого газа, кДж/м3.
С понижением теплоты сгорания и при необходимости неизменной теплопроиз-
теплопроизводительности горелки давление должно быть повышено. При несоблюдении этого
условия теплопроизводительность горелки снизится. Для сохранения теплопроиз-
теплопроизводительности и коэффициента расхода воздуха неизменными необходимо пересчи-
пересчитать диаметр сопла по формуле (нормаль Теплопроекта):
А'
1,27 (бо+1)т+ 1,27
где di — диаметр сопла горелки природного газа, мм; d{ — искомый диаметр сопла
горелки, мм; А' — коэффициент, равный 196 для горелок типа I и 213 для горелок
типа II; т — объемная кратность инжекции (отношение объема воздуха к объему
газа); 60 — отношение плотности воздуха к плотности применяемого газа.
Основным преимуществом горелок внутреннего смешения, образующих смесь
по принципу инжекции, является то, что при меняющейся нагрузке соотношение
между газом и воздухом остается постоянным. Установив при помощи шайбы же-
желательное соотношение объемов газа и воздуха, в дальнейшем регулировать произ-
производительность горелки можно одним только вентилем — состав продуктов горения
остается при этом постоянным.
Преимущество горелок внутреннего смешения инжекционного типа состоит
в том, что они обслуживаются одним трубопроводом и вентилем, нет необходимости
в воздушной линии и дутьевом вентиляторе. Однако эти горелки чувствительны
к изменению давления в печах и топках.
Основной причиной шума, издаваемого горелками, по-видимому, являются
собственные колебания (вибрации) горящих газов; шум возникает также от истече-
истечения газов из сопла и горящей газовоздушной смеси из туннеля.
Общий недостаток инжекционных горелок — большая длина.
Горелка трехпроводная комбинированная предназначена для совместного или
раздельного сжигания природного или печного (реакционного) газа, содержа-
содержащего СО.
. . Конструкция горелки, приведенной на рис. 27, весьма проста (горелка изго-
изготавливается сваркой из труб различного диаметра). В центральную трубу / с двух
сторон приварены трубы для подвода природного и печного газов. На конец цен-
центральной трубы насажена передвижная труба для удлинения или укорочения цен-
центральной, т. е. увеличения или уменьшения зазора между трубой и горелочным кам-
камнем; этим достигается изменение скорости выхода воздуха из горелки, необходи-
необходимого дли регулирования длины пламени. Регулирование положения этой трубы
производится открытием люка на торце центральной трубы. Труба 1 при помощи
фланца крепится к трубе 2, имеющей на конце фланец для крепления к топке. Горе-
лочный камень 3 изготавливается из высокоглиноземистого шамота.
Горелка может работать с коэффициентом расхода воздуха а = 1,7 и является
разновидностью горелок типа «труба в трубе», но с более коротким пламенем. Произ-
Производительность такой горелки — 90 м3 природного или 340 м3 печного газа.
Горелка типа ДВ конструкции Стальпроекта (рис. 28, табл. 12). Для топок
или откатных головок печей с вращающимся барабаном средней и большой тепло-
166

Рис. 27. Горелка трехпроводная:
1,2 — трубы; 3 — горелочный камень.
Рис. 28. Горелка конструкции Стальпроекта типа ДВ:
/ — корпус горелки; 2 — газовое сопло.

ТАБЛИЦА 12. Основные размеры горелок ДВ конструкции Стальпроекта (в мм)
Горелки
D2
ДВ-200/</г
ДВ-225/dr
ДВ-250/<*г
ДВ275/^
ДВ275/^г
ДВ-300-1/с(г
ДВ-300-И/Ч
ДВ325//
ДВ325/£/г
ДВ-350/<*г
ДВ-375/^Г
ДВ-400/^г
ДВ-425/4
200
225
250
275
300
300
325
350
375
400
425
300
300
350
350
400
450
450
500
500
500
500
100
100
100
100
100
150
150
150
150
150
150
1331
1331
1331
1331
1331
1551
1551
1551
1551
1551
1551
Примечание. Величина d выбирается по таблице сопл.
вой мощности, а также когда необходимо установить одну горелку для сжигания
природного газа с длинным пламенем можно рекомендовать горелки типа ДВ, име-
имеющие одиннадцать типоразмеров с диаметром выходного сечения воздушного короба
от 200 до 425 мм. Конструкция горелки приведена на рис. 28.
Горелки типа ДВ являются разновидностью горелок типа «труба в трубе».
Горелка выполнена из литых деталей и позволяет применять подогрев газа и воздуха
до 400 °С. На основании длительного опыта эксплуатации рекомендуется поддержи-
поддерживать давление воздуха перед горелкой 2—3 кПа, а давление газа 4—6 кПа.
Растянутое по длине топки пламя получается при сжигании газа с коэффи-
коэффициентом расхода воздуха а= 1,1 —=—1,15, когда химический недожог отсутствует.
Выбор горелки и сопла к ней производится по графику, изображенному на
рис. 29. График составлен для газа с температурой 20 °С, теплотой сгорания
35,6 МДж/м3 и плотностью 0,77 кг/м3 и для воздуха, имеющего температуру 20 °С
при условии сжигания с коэффициентом расхода воздуха а = 1,08.
Сначала на правой части графика выбирают диаметр сопла в зависимости от не-
необходимого расхода газа и давления его перед горелкой. Затем по левой части гра-
графика находят (показано пунктиром) типоразмер горелки в зависимости от распола-
располагаемого давления воздуха перед ней. Если используется газ другой плотности, то
выбор сопла производят по расчетному давлению
Р Р Р
^расч- rg 077
где Pg — давление располагаемого газа, Па; р — плотность располагаемого газа,
кг/м3.
При использовании газа с любым коэффициентом расхода воздуха а количество
воздуха следует пересчитать с учетом заданного значения а.
Выбор газового сопла производится в этом случае так, как было описано выше,
а выбор горелки — по левой части графика (рис. 29) в зависимости от найденного
расхода воздуха и давления воздуха перед горелкой.
Горелка для сжигания топливного газа высокого давления (рис. 30) предназна ена
для сжигания высококалорийного газа крекинг-установок высокого давления вьпе-
вьпечах и топках, работающих под давлением. Горелка должна обеспечить возможно сть
получения нейтрального теплоносителя в топках для подогрева инертного газа.
Топливный газ имеет следующий состав: метана-16—20% , этана — 8—10% ,
пропана — 30—40%, бутана — 14—18%, гептана — 20—15% , теплота сгорания
(?Р = 4,89 МДж/м3.
168

10000
2450 1470 490
Давление воздуха перед
юрелкой, Па
О 980 2940 4900 6660 6820
Давление газа перед горелкой, Па
Рис. 29. График для выбора горелки и сопла к ней.
Горелка типа ДПГ (рис. 31, табл. 13). Для печей и топок большой тепловой
мощности и при необходимости установки одной горелки для сжигания высоко-
высокотеплотворного газа с коротким пламенем можно рекомендовать горелки типа ДПГ,
которые показали хорошие эксплуатационные качества.
Горелка состоит из чугунной конической плиты, имеющей отверстия для выхода
воздуха. На конической плите устанавливается стальной цилиндрический воздуш-
воздушный короб. На фланцах к коробу крепится клапан для регулирования подачи воз-
воздуха на горение газа. На тыльной стороне воздушного короба устанавливается плита
с газовым соплом с завихрителем, внутри газового сопла — труба, оканчивающаяся
гляделкой.
Газ поступает по цилиндрической трубе и перед выходом закручивается, а воз-
воздух выходит по малым отверстиям с большой скоростью под углом и пронизывает
закрученный газовый поток, создавая хорошо перемешанную газовоздушную смесь.
Полученная смесь полностью сгорает с коротким пламенем.
Горелка может работать с коэффициентом расхода воздуха до а = 1,7 и реко-
рекомендуется для установки в печах и топках, работающих как под давлением, так и
под разрежением.
Горелка снабжена автоматическим запальником и не сложна в изготовлении.
Разработаны два типоразмера на различные производительности.
Горелка керамическая (рис. 32) предназначена для сжигания в больших объемах
отходящих реакционных печных газов от руднотермических и других печей. Основ-
Основными элементами горелки являются керамический смеситель и сварной металличе-
металлический воздушный короб с патрубком для подачи газа.
Керамический смеситель состоит из блока с центральным туннелем и восьми
примыкающих к нему насадок для подачи воздуха. Смеситель выполняется из высо-
высокоглиноземистого шамота. Каждая насадка имеет тангенциально расположенное
сопло под углом 40° с входными размерами 250X55 мм и выходными 190X55 мм.
Газ подается в центральный туннель, перемешивается в закрученном потоке
воздуха и сгорает в камере горения топки. Максимальная скорость воздуха на вы-
выходе из сопла 45 м/с. Производительность горелки может меняться в пределах 400—
4500 ntVc по печному газу от руднотермических фосфорных печей, а для других
Сжигаемых газов производительность горелки должна быть пересчитана.
169

Топливный
газ
Рис. 30. Горелка для сжигания топливного газа высокого давления:
/ — патрубок топливного газа; 2 — воздушный патрубок; 3 — горелочный камень; 4 —
сопло топливного газа; 5 — патрубок инертного газа; 6 — корпус горелки; 7 — ааглушка.
Форсунки топливные. Форсункой называется устрой-
устройство для распыления жидкого топлива и организации регулируемой
подачи ее на горение.
Форсунка является основным устройством распыления топлива,
смешения топлива с окислителем, регулирования подачи топлива
или полученной смеси на горение, создания определенного по форме,
длине и направлению пламени.
ТАБЛИЦА 13. Основные размеры горелки ДПГ (в мм)
" Производи-
Производительность,
м8/ч
610
450
А
450
395
Б
465
315
в
243
202
Г
240
240
Л
1140
910
Д
280
185
170

Рис. 31. Горелка двухпроводная:
/ — газовое сопло; 2 — воздушный короб; 3 — воздухораспределительная плита; 4 —
заслонка.
Качественное сжигание жидкого топлива предопределяет пра-
правильный объем и конфигурацию камеры горения печи и топки, обес-
обеспечение высокой температуры в камере горения для создания усло-
условий стабилизации фронта воспламенения.
Из всего многообразия конструкций форсунок для сжигания жид-
жидкого топлива ниже приведены форсунки, показавшие хорошую и
надежную работу. Они могут быть рекомендованы к установке на
печах и топках.
К топливным форсункам предъявляют следующие основные тре-
требования: 1) тонкое и равномерное распыление топлива; 2) хорошее
смесеобразование топлива с воздухом в самой форсунке или непо-
непосредственно за нею в фурме до выхода смеси в камеру горения; 3) удоб-
удобное, тонкое и легкое управление и регулирование расхода топлива
с сохранением заданного пропорционирования топливо—воздух и мак-
максимальным использованием энергии распылителя во все периоды
регулирования; 4) устойчивое пламя заданной формы и длины;
5) прочность и простота конструкции; 6) надежность, удобство в
эксплуатации; 7) отсутствие подтеков, незасоряемость; 8) легкость
350
251
D2
395
295
425
325
125
100
210
180
250
220
450
305
500
345
D9
525
375
171

Рис. 32. Горелка керамическая двухпроводная:
/ — корпус; 2 — горелочный камень.
Рис. 33. Форсунка ФДМ:
/ — войлочная набивка; 2 — корпус; 3 — диффузор; 4 — отверстие для спуска мазута;
5 — распылитель.
ТАБЛИЦА 14.
Форсунки
ФДМ-1
ФДМ-2
Основные размеры форсунок
Произво-
Производительность по
мазуту, кг/ч
1,5—4
3-8
D
13
17
ФДМ (в мм)
20
24
24
28
D3
50
60
172

tac. 34. Характеристика форсунки типа 4>ДМ
при а *= 1,15:
/ — ФДМ-1; 2 - ФДМ-2.
10
ь
i
2ft
2,5 3fi 3,5* 4,5
Давление воздуха, иПа
5ft
и удобство ремонтов, осмотров и
чисток; 9) невысокая стоимость
изготовления; 10) несложный мон-
монтаж; И) конструкция форсунки
должна облегчать применение авто-
автоматизации тепловых процессов;
12) небольшой расход энергии на
распыление.
Форсунка ФДМ (рис. 33, табл. 14).
Конструкция двухступенчатой малой фор-
форсунки разработана институтом Тепло-
проект двух типоразмеров для распыли-
вания мазута и подачи его в камеру горения печей малой тепловой мощности
(чаще всего опытных). Производительность форсунок — от 1,5 до 9 кг/ч. Расход
мазута регулируют с помощью шпинделя, имеющего срез, который позволяет про-
производить более точную регулировку расхода. Это самые маленькие промышленные
форсунки.
Давление воздуха перед форсункой определяется по рис. 34. Давление мазута
должно быть равным 150—200 кПа.
Форсунка Стальпроекта. Институтом Стальпроект разработаны 6 типоразмеров
форсунок (рис. 35), предназначенных для распыливания мазута и подачи их в ка-
камеру горения топок .и печей. Производительность форсунок — от 3,5 до 205 кг/ч.
Конструкция форсунки проста и разработана лучше других конструкций форсунок
этого типа, вследствие чего получила наибольшее применение в тепловых устрой-
устройствах.
Форсунка собирается на тройнике (фитинге). С одной стороны в тройник ^ввин-
^ввинчивается наконечник с центрирующими сопло винтами, а с противоположной сто-
стороны вводится сопло, которое может двигаться вдоль оси форсунки; на конце под-
поддерживающейся трубы установлен регулятор подачи мазута (игла) с маховичком.
Диапазон регулирования производительности форсунки без заметного ухудше-
ухудшения распыления мазута составляет 1 : 2—1 : 2,5.
Регулирование длины пламени производится изменением положения сопла,
т. е. изменением сечения кольцевого зазора между наконечником и соплом, что ведет
к изменению скорости истечения воздуха из форсунки.
Форсунки имеют две конструктивные модификации. Одна из них — с болтовым
креплением к корпусу печи и топки, что позволяет устанавливать такие форсунки
в печах и топках, работающих под давлением. Другая модификация, используется
когда форсунка устанавливается на мазутном и воздушном трубопроводах, располо-
расположенных на одной оси. Такое крепление форсунки позволяет без разборки на шар-
шарнире выводить ее из печи и топки на осмотр, чистку и мелкий ремонт. Эта модифика-
модификация предпочтительна для печей и топок, работающих под разрежением, где к хими-
химической активности теплоносителя не предъявляется жестких требований.
Давление мазута и воздуха перед форсункой следует выбирать по графикам,
приведенным на рис. 36.
125
130
120
135
46
51
22
30
65
56
18
19
173

Рис. 35. Форсунка конструкции Стальпроекта:
/ — труба неподвижная; 2 — подвижное сопло; 3 — наконечник; 4 — центрирующий винт;
5 — корпус; 6 — эксцентрик; 7 — рукоятка эксцентрика; 8 — игла для регулирования
подачи мазута; 9 — маховичок регулятора подачи мазута
Недостатком описанного типа форсунок является большая длина пламени, что
требует и соответствующей длины камеры горения печи и топки.
Форсунка Карабина ФК-1. Турбулентная, короткопламенная форсунка ФК-1
высокого давления разработана А. И. Карабиным. Форсунка имеет винтовую воз-
воздушную (паровую) насадку и может быть рекомендована для установки в печах и
топках, где необходимо ограничиваться одной форсункой большой тепловой
мощности.
Конструкция форсунки Карабина ФК-1
приведена на рис. 37, головка к ним предста-
представлена на рис. 38.
Для получения однородного факела можно
рекомендовать воздушное сопло с наклоном
канавок для истечения воздуха под углом 60° и
удлиненным выходным наконечником.
Распыл в рассматриваемой форсунке мо-
может быть осуществлен компрессорным возду-
воздухом с давлением 0,3—0,7 МПа или пара с дав-
давлением 0,3—1,2 МПа.
Количество воздуха на распыл составляет
5—10% от необходимого для горения; 90—95%
воздуха должно подаваться через регистры или
амбразуры вне форсунки. В паровых форсунках
через регистры поступает весь воздух, необхо-
необходимый для горения.
Рис. 36. Режимные характеристики форсунок кон-
конструкции Стальпроекта (Z) — диаметр устройства,
мм; £>с — диаметр сопла, мм):
700
1 — D = 160; 2 — D = 126; 3 - D = 100; £>с «
= 60; 4 - D = 100; Ьс = 52; 5 - D = 70; £>с =
= 40; 6 — £Г = 70; Dс = 30; 7 - Dy = 40; сплош-
сплошные кривые — для а = 1,0, штриховые — д= ъ kit
= 1,2.
174

Рис. 37. Форсунка Карабина ФК-I высокого давления:
/ — корпус; 2 — сопло.
Турбулентная форсунка Карабина ФК-VI (рис. 39) предназначена для распыле-
распыления мазута, смесеобразования и подачи этой смеси в камеру горения печи или топки
Форсунка низкого давления, имеет четыре размера (диаметра патрубка). Каждому
размеру соответствует определенный корпус и три номера форсунок с различными
производительностями.
Форсунка Карабина ФК-VI наиболее предпочтительна перед форсунками дру-
других конструкций для установки на печах и топках, потому что она дает короткое,
широкое, ровное, без пульсаций, незатухающее пламя. За счет того, что через фор-
форсунку подают весь или почти весь воздух, необходимый для горения, обеспечивается
смесеобразование и создаются наиболее благоприятные условия для полного сгора-
сгорания топлива. Несмотря на более низкое давление распылителя достигается хорошее
качество распыления.
Основные особенности форсунки следующие.
1. Воздух, необходимый для распыления и горения, поступает через танген-
тангенциально расположенные отверстия воздушного сопла 7, встречая частицы топлива
под углом 75—90°.
2. Подача топлива регулируется иглой непосредственно у выхода, в связи с чем
отпадает надобность в специальном регулировочном вентиле. При перемещении
иглы 5 поворотом маховичка размер выходной щели для мазута изменяется; скорость
вылета частиц мазута остается постоянной и достаточно большой.
3. Перемещением насадки 8 форсунки можно изменять щель для дополнитель-
дополнительного прохода воздуха, увеличивающую расход мазута на 20—30%.
На печах и топках, работающих под давлением, форсунка должна иметь гер-
герметичное болтовое крепление к кожуху.
Во время испытаний форсунки Карабина ФК-VI получены результаты, позво-
позволяющие рекомендовать ее для установки на печах и топках.
Форсунка мазутная, пневматическая большой теплопроизводительности. На
рис. 40 и 41 дана мазутная пневматическая форсунка конструкции Белорусского
филиала ЭНИНа тепл©производительностью 11—14 МВт (расход мазута 1000—
1300 кг/ч) при давлении мазута 200—300 кПа и воздуха 400 кПа. Воздух на распы-
распыление мазута подается в форсунку, а на горение — в воздушный короб танген-
тангенциально. Конструкция форсуночного устройства позволяет легко вынимать фор-
форсунку %(рис. 40) для очистки, ремонта и замены деталей. Распылитель мазута показан
на рис. 42.
Форсунка показала хорошие эксплуатационные качества и может быть рекомен-
рекомендована к установке на печах и топках больших тепловых мощностей.
При разработке и испытании дан-
данной конструкции форсунки на различ-
различные расходы мазута E00; 600; 700; 800;
Рис. 38. Головка форсунки Карабина
ФК-1:
1 — выходной наконечник; 2 — сопло; 3 —
труба для топлива; 4 — труба для распы-
распылителя.
Мазут
^Распылитель
175

Рис. 39. Форсунка Ка-
Карабина ФК-VI низкого
давления:
/ — маховичок; 2 — саль-
сальник; 3 — ниппель; 4 —
корпус; 5 — игла; 6 —
топливный распылитель;
7 — воздушное сопло'.
8 — конусная насадка.
Рис. 40. Форсуночное
устройство:
/ — форсунка; 2 — воз-
воздушный короб; 3 — за-
запор; 4 — торцевая крыш-
крышка; 5 — смотровое окно;
6 — направляющая тру-
труба; 7 — откидное уст-
устройство; 8 — воздушный
регистр.

J 2 3
Рис. 41. Форсунка мазутная пневматическая
большой теплопроизводительности:
/ — гайка накидная: 2 — контргайка; 3 —
муфта; 4 — труба воздушная; 5 — центриру-
центрирующая пластина; 6 — тройник; 7 — мазутный патрубок; 8 — подводящий
9 — воздушный патрубок; 10 — кольцо; // — труба мазутная.
коллектор;
1000 и 1200 кг/ч) и изготовлении их на Таллинском заводе «Ильмарине» она могла
бы стать дешевым, стандартным, покупным оборудованием и качественно решить
одну из сложных задач отечественной теплотехники.
Форсунка ФДБ (рис. 43, табл. 15). Для печей и топок, работающих под разре-
разрежением, может быть рекомендована к установке форсунка ФДБ, разработанная
Теплопроектом.
ТАБЛИЦА 15. Основные размеры форсунок ФДБ (в мм)
Форсунки
ФДБ-1
ФДБ-2
ФДБ-3
ФДБ-4
А
590
590
590
590
Б
236
236
256
287
в
286
301
333
382
г
ПО
110
110
120
д
140
150
160
170
Е
63
63
68
78
Ж
300
300
300
345
и
129
129
129
149
К
104
104
124
135
В форсунке используется принцип двойного распыления и регулирования вто-
вторичного потока воздуха при помощи перемешивающего кольца. Потоки первичного
воздуха и мазута движутся навстречу друг другу, что улучшает распыление топлива
и смешение его с воздухом. При давлении воздуха в корпусе 4—5 кПа форсунка
обеспечивает хорошее распыление и смешение его с воздухом при устойчивом ши-
широком пламени сравнительно небольшой длины и обладает интервалом регулирова-
регулирования в пределах 2,7 : 1 при неизменном давлении воздуха и в пределах 4 : 1 при
изменении давления воздуха от
7 до 3 кПа.
Рекомендуемое давление ма-
мазута перед форсункой составляет
0,15—0,2 МПа, хотя при обес-
обеспеченном постоянном подогреве
мазута форсунка ФДБ может ра-
работать при минимальном давле-
давлении мазута 0,03 МПа.
Во избежание попадания
мазута в воздухопровод воздух
Рис. 42. Распылитель мазута.
Б-Б
А-А
177

Рис. 43. Форсунка ФДБ:
/ — корпус; 2 — распылитель; 3 — плита; 4 — кран; 5 — гляделка.

Рис. 44. Горелка ГМГ:
/ — газовоздушная часть; 2 — форсунка газомазутная; 3 — регистр первичного воздуха;
4 — регистр вторичного воздуха; 5 — плита монтажная.
рекомендуется подводить сверху, что, однако, не предотвращает подтекания
мазута в самой форсунке.
Серьезным эксплуатационным недостатком этих форсунок является частое за-
засорение мазутного клапана и загрязнение корпуса мазутом при внезапном прекра-
прекращении или резком ослаблении воздушного дутья. Чистка форсунок затруднительна,
так как в этом случае требуется полная его разборка.
Однако при хорошем изготовлении и при благоприятных эксплуатационных
условиях форсунки типа ФДБ работают достаточно хорошо, поэтому они получили
широкое распространение.
Газомазутные горелки ГМГ (рис. 44, табл. 16) предназначены для сжигания
мазута и газа, а при необходимости — для совместного их сжигания. Горелки раз-
разработаны ЦКТИ им. Ползунова, изготавливаются Таллинским заводом «Ильмарине».
Они могут быть установлены в печах и топках.
Горелки ГМГ оборудуются для распыления мазута паромеханическими мазут-
мазутными форсунками (рис. 45).
Мазут по внутренней трубе форсунки (рис. 46) подводится через распредели-
распределительную шайбу в кольцевой канал топливного завихрителя и далее по тангенциаль-
тангенциальным каналам попадает в камеру завихрения, приобретая вращательно-поступатель-
ное движение, выходит из сопла и распыл ивается за счет центробежных сил.
Рис. 45. Форсунка паромеханиче-
ская:
/ — затяжной винт; 2 — скоба; 3 —
паровой штуцер; 4 — колодка; 5 —
топливный штуцер; 6 — рукоятка;
7 — ствол; 8 — распиливающая го-
головка.
179

ТАБЛИЦА 16. Основные размеры горелок tfAf
Горелки
ГМГ2
ГМГ-4
ГМГ-5,5/7
о.
265
363
420
108
159
168
276
375
432
L
933
1161
1291
и
301
428
525
195
255
285
и
300
417
495
и
520
600
600
180
235
260
Л,
250
360
427
Для обеспечения расширения диапазона регулирования форсунки снабжаются
еще паровыми завихрителями. Пар по наружной трубе подходит к каналам накид-
накидной гайки, далее к каналам парового завихрителя и, выходя закрученным потоком,
принимает участие в распылении мазута. Распыливающие детали стягиваются на-
накидной гайкой.
Регистр вторичного воздуха представляет собой лопаточный аппарат с пря-
прямыми лопатками, установленными под углом 45°, служащими для закрутки потока
воздуха. Регистр первичного воздуха устроен подобным образом и служит для под-
подвода закрученного воздушного потрка к корню пламени.
Выпускаемые горелки рассчитаны для сжигания газа с теплотворной способ-
способностью 35,5 МДж/м3 и мазута марок 40 и 100.
При необходимости сжигания газа с теплотворной способностью выше ука-
указанной, необходимо изменить давление газа либо сечение газовыходных отверстий
для обеспечения требуемого расхода.
Подогрев мазута должен обеспечить вязкость перед форсункой до 6° ВУ.
Регулирование производительности горелки осуществляется изменением давле-
давления мазута или газа и воздуха. Зависимость теплопроизводительности горелок
от давления газа и воздуха приведена в графиках рис. 47.
При установке нескольких горелок в печи или в топке для устранения отрица-
отрицательного влияния смежных горелок целесообразно при компоновке предусмотреть
противоположную закрутку потока воздуха у горелок, расположенных рядом.
Закрутка в горелке первичного и вторичного воздуха должна быть в одну сторону.
Горелка должна быть освобождена от нагрузки трубопроводов.
В горелках ГМГ вторичный воздух регулируется соответственно изменению
давления топлива. Для лучшего перемешивания (т. е. снижения химического не-
недожога и расхода воздуха), особенно при работе на малых нагрузках, в горелке
предусмотрена подача первичного воздуха давлением до 1,5 кПа в количестве 15%
от общего расхода воздуха. При работе на мазуте первичный воздух не регули-
регулируется, а при работе на газе первичный воздух регулируется пропорционально рас-
расходу газа.
Горелки запальные. Для розжига основных стацио-
стационарных горелок применяют специальные переносные газовые за-
запальные горелки. Их применяют при использовании газа низкого
и среднего давления. Основные требования, предъявляемые к за-
запальным горелкам, — устойчивость факелов при достаточной их
мощности, простота и легкость эксплуатации.
2 J4
Пар
Рис. 46. Головка распылителя:
/ — гайка; 2 — распредели-
распределительная шайба; 3 — завихри-
тель топливный; 4 — завихри-
тель паровой.
180

4000
\3000
*2000
If 000
0C
0,5
1,0
15 2,0
° Ifl 2,0 Jfl 4,
Теплопроиэводительность, МВт
3 4 5
Рис. 47. Режимные характеристики горелок ГМГ:
а — ГМГ-2м; б — ГМГ-4м; в — ГМГ-5м; / — давление газа; 2 — давление мазута; 3 —
сопротивление горелки по вторичному воздуху; 4 — сопротивление горелки по первичному
воздуху; 5 — давление пара перед форсункой.
Запальные горелки различных типов показаны на рис. 48. Для
печей и топок, работающих под разрежением, можно применять одно-
и многофакельные запальные горелки. Для горелок, работающих
на газе низкого давления и установленных в печах и топках, рабо-
работающих под давлением, должны применяться запальники с прину-
принудительной подачей воздуха. Газ вдувается через сопло / соответству-
соответствующего размера в трубу-смеситель 2, в которой он смешивается с воз-
воздухом, поступающим через специально прорезанное около сопла
окно. Заканчивается труба навернутым на нее наконечником с од-
одним центральным отверстием большого диаметра или с большим
числом малых отверстий на боковых стенках. Инжекционные за-
запальники рассчитаны на подсос в трубу только части воздуха, не-
необходимого для горения.
Газ подается к запальнику по гибким шлангам и трубе, служа-
служащей одновременно и рукояткой запальника. Расход запальной го-
горелки при Ql = 35,6 МДж/м3 составляет 0,2—1,4 м3/ч в зависимости
от давления и диаметра сопла. Несложная конструкция запальника
позволяет изготавливать его в любой мастерской.
Гидрогазодинамические расчеты
Гидрогазодинамические расчеты печного комплекса осуществ-
осуществляются для определения потерь давления при движении исходных
материалов, полученных продуктов, печной среды, теплоносителя,
охладителей, топлива и окислителей, находящихся в газовой и жид-
жидкой фазах.
Потери давления возникают при движении приведенных выше
сред по трубам, каналам, боровам, трубопроводам, между кусковым
материалом в шахтах, как при изотермических, так и при неизотер-
неизотермических течениях, при различных поворотах, расширениях, су-
сужениях и т. д.
181

Газ
Закрепить
проволокой
~ 630 (уточняется по месту)
500(уточняется по месту)
Рис. 48. Горелки запальные:
а — однофакельные для топок, работа-
работающих под разрежением; б — многофакель-
многофакельные для топок, работающих под разреже-
разрежением; в — однофакельные для топок, рабо-
работающих под давлением; г — однофакель-
однофакельные для топок, работающих под давлением
с принудительной подачей воздуха; / —
сопло; 2 — труба-смеситель.

Величина потерь давления на трение Ртр при движении изотер-
изотермических потоков в общем виде определяется по формуле:
Здесь / — длина трассы; Ятр — коэффициент трения; ^ — эквивалентный
диаметр трубопровода; w0 — линейная скорость потока при О °С; р0 — плотность
движущейся среды при О °С; р — коэффициент объемного расширения газа; t —
рабочая температура среды.
Значения коэффициента трения Хтр рассчитываются по формулам:
1) при ламинарном движении потока:
А,тр = Л/Re
где Л — коэффициент, зависящий от геометрической формы сечения канала (табл. 17)
Re — критерий Рейнольдса.
2) для гидравлически гладких труб и каналов при Re = 2300-Ь
-г-Ю 000 справедлива формула Блазиуса:
Ятр = 0,316/Re<>'25
а при Re > 10 000 — формула Никурадзе
Ятр = 0,0032 + @,221/Re°«237)
3) для труб и каналов с неравномерной шероховатостью стенок
в случае турбулентного течения
68 \0,25
А
где А — шероховатость (табл. 18).
Для расчетов газовоздухопроводов небольшой протяженности
с большим количеством швов, а также для расчетов каналов в топоч-
топочной камере можно рекомендовать следующие значения ^тр: 1) для
стальных труб диаметром до 100 мм — 0,050, 100—200 мм — 0,035,
более 200 мм — 0,03; 2) для каналов в топках с D, равным 100—
300 мм — 0,070, 300—500 мм — 0,050, более 500 мм — 0,040.
ТАБЛИЦА 17. Значения йъ и А
Формы сечения канала
Круг диаметром d
Квадрат со стороной а
Прямоугольник со сторонами а и Ь при alb> равном
0,10
0,20
0,25
0,33
0,50
йэ
d
а
1,81
1,67
1,60
1,50
1,30
А
64
57
85
76
73
69
62
183

ТАБЛИЦА 18. Шероховатость различных труб и каналов
Вид трубы или канала и состояние поверхности стенок
А, мм
Новые цельнотянутые и цельносварные трубы
То же, подверженные коррозии
То же, с отложениями
То же, с большим количеством сварных швов
Каналы — в огнеупорной футеровке
0,1
0,4
0,4—1,0
1,0—5,0
До 5,0
Величина потери давления на местных сопротивлениях в общем
случае определяется по формуле:
АРм=£-у-РоA-РО
где £ — коэффициент местного сопротивления (определяется по специальным спра-
справочникам).
В расчетах потерь давления на трассе могут быть рекомендованы
следующие оптимальные скорости:
Поток w0, м/с
Газы в трубопроводах 8—12
Дымовые газы в каналах и боровах 1—3
Дымовые газы на выходе из трубы 2—4
В газопроводах природного газа (Р < 5 кПа)
в прямых участках 12
при сложных конфигурациях 6
В газопроводах природного газа (Р > 5 кПа)
в прямых участках 100—150
при сложных конфигурациях 20—30
Вода в глиссажных трубах 2,5—3
Жидкая сера 1—1,5
Жидкий фосфор 1—1,5
Для плотного слоя кусковых материалов:
Здесь Як — коэффициент сопротивления слоя (определяется опытным путем
или в зависимости от критерия Re); Н — высота, м; dK — средний размер куска, м;
w0 — скорость газа в расчете на полное горизонтальное сечение пустой шахты, м/с.
Проектирование футеровки печи
При проектировании футеровки печей рассматриваются следую-
следующие вопросы: определение геометрии рабочей и топочной камер печи,
выбор материалов композиции футеровки и толщины огнеупорного,
кислотоупорного и теплоизоляционных слоев с учетом химической,
термической и механической стойкости.
Определение геометрии рабочей камеры печи. Геометрия рабочей
камеры печи представляет собой пространственные формы и характе-
184

ризуется продольным и поперечным сечениями. Продольное сечение
получило название «профиль рабочей камеры» и является наиболее
характерным и определяющим для большинства типов печей. При
выборе и определении геометрии рабочей камеры необходимо учиты-
учитывать пропорции, т. е. отношения высоты к ширине (диаметру) и длине
печи.
Совершенными считаются такие пропорции, когда сочетаются
техническая целесообразность форм с эстетическим видом.
Геометрическая форма рабочей камеры большинства печей яв-
является совокупностью ряда простейших фигур (прямоугольный па-
параллелепипед, цилиндр, усеченный конус, полусфера, арка и т. д.),
сгруппированных с учетом поставленной цели.
На геометрию рабочей камеры печи существенное влияние оказы-
оказывает место расположения теплогенератора. С учетом совместимости
целевых реакций и реакций окисления топлива возможны два слу-
случая: при совместимости реакции — совмещенный вариант рабочей
и топочной камер, а при несовместимости — разделенный вариант
рабочей камеры от топочной.
В совмещенном варианте учитываются дополнительные объемы,
которые занимают пламена. При раздельном варианте дополнительно
разрабатывается камера для сжигания топлива и газоходы для транс-
транспортирования теплоносителя к поверхностям реактора с целью пе-
передачи теплоты исходным материалам. Рабочая камера представляет
собой муфель, тигель и т. д., имеющий свои особенности конструи-
конструирования. Для рабочей камеры электротермических печей должен
учитываться в совмещенном варианте объем электродов, защитных
мантелей, длина дуги, объем нагревателей и т. д.
Общие требования к рабочей камере печей: 1) вместить исход-
исходные материалы, обеспечивающие заданную производительность по
целевому продукту (разовый для печей с прерывными технологиче-
технологическими процессами и определенными порциями при непрерывных тер-
термотехнологических процессах), печную среду и устройства теплогене-
рации; 2) обеспечить возможность создания заданного температур-
температурного профиля исходных материалов во времени и по длине печи;
3) обеспечить возможность создания необходимых параметров печ-
печной среды.
В связи с многообразием конструктивных типов печей в данной
работе рассматриваются только некоторые из них.
Геометрия рабочего объема методических
печей. Профиль рабочего объема методических печей имеет слож-
сложную конфигурацию, что вызвано необходимостью создания различ-
различных температурных зон по длине печи с двухсторонним торцевым
нагревом. На рис. 49 представлен профиль рабочего объема толка-
тельной методической печи.
Ширину печи определяют, принимая зазоры между рядами заго-
заготовок от конца их до боковых стен печи равными 200—300 мм. Ши-
Ширина толкательной печи ограничена возможностью чистки монолит-
монолитной подины вручную через боковые окна и достигает 12,6 м (длина
заготовки 12 м).
185

Рис. 49. Геометрия рабочей камеры различных типов печей:
а — методические; б — шахтные; в — руднотермические ванные; г — сталеплавильные; д —
тигельные; е — шлаковые.
В начале печи у торца загрузки рабочий объем расширяют так,
чтобы пропустить продукты сгорания топлива в зазор между кон-
концами заготовок и стенами печи со скоростью 2—2,5 м/с.
Длину печи, на которой происходит нагрев металла, называют
длиной активного пода La и определяют ее, исходя из заданной про-
производительности печи G и напряжения активного пода печи N [при-
[принимается в зависимости от толщины нагреваемого металла равным
500—650 кг/(м2-ч)].
Сначала определяют площадь поверхности активного пода печи:
F = GIN
где G — производительность печи, кг/ч; N — напряжение активного пода, кг/(м2-ч).
Затем определяют длину активного пода La:
La = Fit
где / _ длина одной или двух заготовок при двухрядном нагреве, м.
186

Угол наклона пода в печах с нижним обогревом принимается мак-
максимально 6°, а в печах без нижнего обогрева — 7° 30'.
Профили и основные размеры рабочего объема толкательных мето-
методических плит нормализованы.
Геометрия реакционного объема шахтных
печей. Профиль шахтных печей может иметь цилиндрическую,
коническую, прямоугольную форму или быть совокупностью ряда
геометрических фигур. Для определения геометрии задается часовая
производительность G, у — насыпная масса, время каждого термо-
термотехнологического процесса ть т2, т3, ... и суммарное время процесса
тобщ. Задаются формой поперечного сечения шахты и определяют
ее площадь F. Далее рассчитывают скорость движения исходного
материала в печи:
w =г= G!(yF)
где G — производительность, кг/ч; 7 — насыпная масса, кг/м3.
Высота шахты определяется из формулы:
Высота каждой термотехнологической зоны определяется умно-
умножением скорости движения исходных материалов на время конкрет-
конкретного вида термотехнологического процесса.
Полученную расчетом высоту шахты печи необходимо увеличи-
увеличивать на величину, учитывающую конусный вид заполнения шахты
исходными материалами под механизмом загрузки.
Геометрия ванны руднотермических
электрических печей. Фосфорные печи, как и большин-
большинство ферросплавных и карбидных печей, обычно имеют круглую
ванну с электродами круглого сечения, расположенными по верши-
вершинам равностороннего треугольника. Ванны карбидных печей, кроме
того, могут быть прямоугольными; электроды в этом случае также
имеют прямоугольное сечение и расположены в ряд. В качестве
модуля для определения геометрии ванны этих печей принят диа-
диаметр электрода Оэл:
где /эл — ток электрода, А; Уэл — допустимая плотность тока в электроде, А/см2.
Для самоспекающихся электродов фосфорных печей /эл = 4,2,
а для карбидных — 6—7 А/см2.
Диаметр распада электрода Dp принимается из соотношения
Dp = B,7-r2,85) Ddn. Диаметр ванны печи: DB = 6£>эл. Высота
ванны печи находится по формуле:
Яв = Ps/Pv
где Ps — удельная поверхностная мощность печной установки, кВт/м2; Ру —
удельная объемная мощность печи, кВт/м3.
Геометрия реакционного объема дуговых
сталеплавильных печей (ДСП) представляет собой
сочетание объемов ванны, плавильного и подсводового пространства.
Ванна печи имеет сфероконическую или параболическую форму.
Угол между образующей и осью конуса составляет 45°. Объем начи*
187

нается с нижней отметки сферической части ванны и заканчивается
верхним уровнем откосов.
Плавильный объем имеет цилиндрическую (ровную или ступен-
ступенчатую) или цилиндроконическую форму, начинается с верхнего
уровня откосов ванны и заканчивается уровнем сводовых пят.
Подсводовый объем имеет форму шарового сегмента, начинается
с уровня сводовых пят и заканчивается верхней отметкой шарового
сегмента.
Исходной величиной при определении размеров реакционного
объема печи является А — отношение диаметра зеркала жидкого
металла в ванне DM к ее высоте #м, т. е. А = Ьм/#м. Высота жид-
жидкого металла в ванне Ям определяется по формуле [27]:
HM = h1 + h2
где hi — высота конической части ванны, мм; h2 — высота сферической части
ванны, мм.
Для печей с основной футеровкой рекомендуется принимать А =
— 4,5—5,5, причем нижний предел относится к печам меньшей вме-
вместимости, а для печей с кислой футеровкой и небольшой вместимо-
вместимостью А = 3,5—4,5.
Диаметр зеркала жидкого металла DM можно определить по фор-
формуле [27]:
DM = 2000С VV^i
где С —- коэффициент, равный 0,875 А\ VM — объем жидкого металла, м3.
При расчете объема ванны, занимаемого жмдким металлом и шла-
шлаком, принимают следующие значения плотности: для стали — 6,9—
7,2 т/м3 (предельный объем 0,138—0,145 м3/т), для кислого шлака —
2,9 т/м3 @,345 м3/т), для основного шлака — 3,2 т/м3 @,312 м3/т).
В расчетах можно принимать, что шлак занимает 10—15% объема
жидкого металла. *л
Диаметр сферической части ванны: d = DM — 2hv Полная^вы-
сота ванны Яв:
Яв = #м + hm + h3 + Я4
Здесь hm — высота шлака, мм; h3 — высота от зеркала шлака до уровня порога
рабочего окна (принимается равной 20—40 мм); /i4 — высота от уровня порога рабо-
рабочего окна до верхнего урозчя откосов (принимается равной 30—40 мм).
Высота шлака hm может быть определена по формуле:
hm = 10001/ш/@,785£2)
где Vm — объем шлака, м3.
Определение размеров плавильного объема зависит от отношения
диаметра распада электродов Dp к диаметру плавильного простран-
пространства на уровне откосов Dnjl> которое рекомендуется принимать
равным Аг = £>р/£>пл < 0»35. Высоту боковой стены плавильного
пространства h0T рекомендуется принимать для печей с основной,
футеровкой равной Аст = @,404-0,55) Опл, а для печей с кислой
футеровкой Лст = @,45-гО,60)Опл.
188

Угол наклона внутренней части боковой стенки к вертикали
рекомендуется принимать равным аг = 27° и а2 = 20°.
Объем подсводового пространства определяется, исходя из высоты
шарового сегмента/iCTp и принимается равным/?стр = @,10-^-0,15) Dnp,
где Dnp — диаметр основания шарового сегмента (принимается
на 1000 мм больше Dnjl)f мм.
Геометрия тигля индукционных печей.
Форма тиглей у большинства печей — усеченный конус (см.
рис. 49) — характеризуется соотношением Ат:
где DM — средний диаметр расплавленного металла в тигле, м; /iM — высота ме-
металла в тигле, м.
Средний диаметр расплавленного металла в тигле определяется
по формуле:
где VT — полезный объем тигля, м3.
Высота металла в тигле:
Геометрия ванны печи электрошлакового
переплава. Форма ванны печи электрошлакового переплава
характеризуется соотношением Лш:
Лш = DjDK = 0,4-5-0,6
Здесь Dq — диаметр расходуемого электрода, м; DK — диаметр кристаллиза-
кристаллизатора, м.
Для крупных печей Аш = 0,6-т-0,8.
Глубина шлаковой ванны hm определяется по формуле:
где тс — масса слитка, кг; рш — плотность шлака при 1700—1750 °С, кг/м3.
Определение геометрии топочной камеры печи. Топочные камеры
предназначены для сжигания топлива с целью получения тепло-
теплоносителя заданных параметров (количества, температуры,, давления
и химической активности).
Топочные камеры бывают отдельно стоящими и встроенными
в конструкцию футеровки печи.
Выбор и конструирование отдельно стоящих топочных камер
подробно описаны в специальной литературе [34].
Встроенные топочные камеры являются элементом футеровки
печи и в зависимости от рабочей камеры имеют свои геометрические
формы. В большинстве конструкций печей топочные камеры рас-
располагаются в футеровке с расчетом наилучшей теплопередачи в ра-
рабочую камеру. По геометрическим фэрмам они бывают круглыми,
189

S*~ ТАБЛИЦА 19. Стойкость огнеупорных материалов с односторонней нагрузкой по отношению
к химическим воздействиям примерно при 1000 °С
Среда
Газы окисляющие:
кислород О2
олеум SO3
двуокись серы SO2
Газы восстанавливающие:
водород Н2
сероводород H2S
синильная кислота
HCN
плавиковая кислота
HF
окись углерода СО
хлор С12
фосген СОС12
SiO2
(плав-
(плавленый
кварц)
1200
+
+
+
<1200°С
*
1
—
+
+
+
Ди-
нас
1600
+
1
+
+
—
1
1
1
Силикат циркония
1550
+
1
1
1
1
0
0
1
+
1
Карбид кальция (бед-
(бедный железом)
Плотные алюмосили-
алюмосиликаты (SiO2>>20% A12O3)
о
о
СО
Л
н
о
2
о
о
Л
ё
S
со
В
о
м
25
о
Л
а*
X
с
О.
X
31
о
о -
Ю
Л
ас
о
Максимальная температура использования
1600
—
—
1
1300
ч-
1
1
1
1
—
—
0
—
1350
+
0
1
1
—
—
0
—
—
1400
Ч-
0
1
1
—
—
0
—
—
1450
+
0
1
1
—
—
0
—
—
1600
ч-
1
1
ч~
—
—
1
—
—
1700
ч-
1
1
1
—
0
1
—
—
Углерод
Магнезит
материала, в °С
2000
—
—
1
+
1
+
+
0
. —
1650
+
>1100°С
1
+
—
—
1
—
Хромомагнезит
1550
i
"Г
0
—
—
Доломит
1600
""
>1100°С
1
<1200°С
1
—
0
0
—
Форстерит
1250
ч-
—
—
—
—
—
0
—

Кислоты (пары):
азотная HNO3
фосфорная Н3РО4
серная H2SO4
соляная НС1
Соли *:
сульфат железа FeSO4
сульфат ванадия
V2(SO4K
хлорид аммония NH4C1
бисульфат натрия
NaHSO4
бисульфат аммония
NH4HSO4
сульфат натрия Na2SO4
хлорид натрия NaCl
метафосфат кальция
Са(РО3J
сода Na2CO3
поташ К2СО3
Стекло:
малощелочное
(80% SiO2)
богатое щелочами
F0 % SiO2)
жидкое Na2O12SiO2
1
1
1
1
1
1
1
—
—
—
—
0
—
—
1
1
1
1
1
1
1
1
1
0
0
—
—
0
—
1
1
0
1
0
0
—
—
—
—
—
—
1
1
1
1
0
—
1
1
1
0
1
—
—
—
0
0
—
1
0
—
1
—
—
—
—
0
0
—
1
0
—
—
1
—
—
—
—
0
0
—
1
0
0
0
0
0
1
—
—
0
0
0
0
0
1
1
1
0
0
0
1
1
0
0
0
1
1
1
1
1
+
0
1
1
+
+
1
0
1
1
1
1
1
—
+
+
—
1
—
—
—
1
0
—
—
—
-t-
о
о
* — стойкий; 1 —ограниченно стойкий; 0 — умеренно стойкий; — не стойкий в виде плавов.

CO
to
i
38S
а> ю Е2
!Ч
ю к
i
OS
Н8
Графи
За
О
Ш
if!
i о
S
>
ТТ
•— 00
СЛ О
00 О5
! I
— GO
00 СЛ
О
п
ел
о
с£>
ел
со
О
>O
tp OO СО
rrr
СЛ ^- 4^
ОЮО)
^- о
ело |
оо I
Э 00
> О
о
to *-i
8g
Огнеупорность по стан-
стандартному образцу, °С
(не менее)
ел о
s?
ел о
ел о
о |
4
00 О
' О
S
о
О
Температура начала
деформации под на-
нагрузкой 0,2 МПа, °С
оо ел
оо
о |
S
G^ CO
00 О
Максимальная допу-
допустимая рабочая тем-
температура, °С
О
g
Термическая стойкость
в водяных теплосме-
нах
сл I
S
го
о
ю
о
СО
О
Временное сопротивле-
сопротивление сжатию, МПа

ъ
кг
:ть,
5
я
S
ч
С
JOC1
с
D?
ТО
X
с
5»
Коэффициент
теплопроводно-
теплопроводности (X), Вт/(м- К)
2*
Химические свойства
при высоких температурах
—
—
2330—
2430
2800-
3100
3500—
3600
3500 -
4000
--
3000—
4000
1800
1700—
2000
2300
2400—
2700
2600 -
3200
1800—
1950
1,63—3,26
При 300 °С
3,4—4,65
,047 + 0,93
1000
При 300 °С
4,65—5,8
4,30 — 0,51
1000
1,97 — 0,215
1000
До 25
23—28
0,770
18-24
20-26
0,913
25-28
16-28
20—30
Хорошая сопротивляемость ос-
основным и кислым шлакам.
Удовлетворительная — восста-
восстановительным и окислительным
реагентам
Удовлетворительная сопроти-
сопротивляемость основным и кислым
шлакам и восстановительным
реагентам. Плохая сопротив-
сопротивляемость окислительным реа-
реагентам
Плохая сопротивляемость ос-
основным шлакам и восстанови-
восстановительным реагентам. Хорошая
сопротивляемость кислым шла-
шлакам и окислительным реаген-
реагентам
Плохая сопротивляемость ос-
основным и кислым шлакам.
Хорошая—по отношению к вос-
восстановительным реагентам и
удовлетворительная — к оки-
окислительным реагентам
Хорошая сопротивляемость ос-
основным шлакам и окислитель-
окислительным реагентам. Удовлетвори-
Удовлетворительная — по отношению к вос-
восстановительным реагентам.
Плохая сопротивляемость кис-
кислым шлакам
Хорошая сопротивляемость ос-
основным шлакам и окислитель-
окислительным реагентам. Удовлетвори-
Удовлетворительная — по отношению к кис-
кислым шлакам и плохая со-
сопротивляемость восстанови-
восстановительным реагентам
Удовлетворительная сопроти-
сопротивляемость кислым и основным
шлакам
Исламов Л1. Ш.
193

Огнеупоры
Химический состав
огнеупорной
основы, %
1 О
eg °
н .
ть по с
разцу
X <^
= 11
Более
2500
1750-
1850
Более
2000
1610—
1730
то
то1 «<->
со
=§£
S.S<N
со со яг
S-sso
Темпе
дефор
грузк
1700
1550—
1700
Более
1700
1250—
1400
« ,
С су
о н
К
то
К V
Мака
стима
перат
1500—
1650
1800—
1950
1200—
1400
£й
со х
и
||
2.S.
<U с
1с
о.
8
о
%
<v
S
S.
2
я
н
со
о
си
X
S
Углеродистые
(коксовые)
Форстер итовые
Циркониевые
Шамотные
С 85—92
SiO2
MgO
ZrO2
SiO2
A12O3
33—40
60-40
70-90
50—65
45—30
— 12—30
5—10
10-50
17,5—
40
140
10-15
прямоугольными. Размеры камеры зависят от вида сжигаемого
топлива, формы пламени, типа сжигательного устройства, геометрии
муфеля, реторты. Основным требованием к топочным камерам яв-
является возможность размещения в ней пламени и обеспечение пол-
полного сжигания топлива с а^ 1. Объем камеры сжигания может
быть ориентировочно принят из расчета —1200 кВт/м3 для природ-
природного газа и 600 кВт/м3 для мазутного топлива.
Выбор материалов для футеровки печей. В основу выбора мате-
материалов для футеровки рабочей и топочной камер положена их хими-
химическая, термическая и механическая стойкость.
В табл. 19 приведены данные о стойкости огнеупорных матери-
материалов к химическим воздействиям. Этими данными можно пользо-
пользоваться при выборе материалов в химических печах; для нагреватель-
нагревательных печей определяющей является огнеупорность.
Физико-химические свойства некоторых наиболее часто при-
применяемых футеровочных материалов приведены в табл. 20 и 21.
Выбор композиции футеровки печей с химическими превраще-
превращениями осуществляется с учетом химических, термических и меха-
механических свойств, а толщина внутреннего слоя определяется, исходя
194

Продолжение табл. 20
s
и,
&
8
я
ё
с:
1800-
2200
—
2500—
2700
А
Н
8
отн
с;
с
к
я
1400-
1600
2000—
3000
3700
1700-
2300
Коэффициент
теплопроводно-
теплопроводности (X), Вт/(м- К)
т
i
о
Химические свойства
при высоких температурах
При 300 °С
5,80—17,5
,256
При 300 °С
2,9
0,698 + 0,64
1000
0,842
30-35
5—40
13-30
Удовлетворительная сопроти-
сопротивляемость основным и кислым
шлакам и восстановительным
реагентам. Плохая сопротив-
сопротивляемость окислительным реа-
реагентам
Удовлетворительная и хорошая
сопротивляемость основным и
кислым шлакам
Хорошая сопротивляемость
окислительным реагентам.
Удовлетворительная — по от-
отношению к основным и кис-
кислым шлакам. Плохая — к вос-
восстановительным реагентам
Плохая сопротивляемость ос-
основным шлакам и удовлетво-
удовлетворительная — кислым шлакам,
а также кислым и основным
реагентам
из срока эксплуатации (межремонтный пробег). Толщина последу-
последующего огнеупорного слоя определяется, исходя из термических
свойств, а толщина теплоизоляционного слоя выбирается по терми-
термическим и механическим свойствам.
Общая толщина футеровки рабочей камеры печей складывается
из толщины огне- или кислотоупорного и теплоизоляционных слоев,
составляющих композицию футеровки. Она также зависит от темпе-
температуры внутренней и наружных поверхностей рабочей или топочной
камер, температуры на границе между слоями, толщины применя-
применяемых стандартных, фасонных огнеупорных и теплоизоляционных
изделий.
Исходя из требований техники безопасности эксплуатации
печей, при расчетах температуру наружной поверхности футе-
футеровки принимают не выше 45 °С. При экранизации наруж-
наружной поверхности футеровки температура может быть повышена
до 120 °С.
Температуру на внутренней стенке рабочей и топочной камер
принимают равной температуре печной среды, материалов в печи
или теплоносителя.
Vi 7* 195

J3 ТАБЛИЦА 21. Основные свойства теплоизоляционных материалов и изделий
Материал
Асбестовая мелочь ше-
шестого сорта
Асбозурит
Диатомит в порошке
Зонолит (вермикулит)
Минеральная вата
Совелит
Трепел в порошке
Шлаковая вата
Изделие
Асбестоцементные плиты
Вермикулитовые плиты
Вулканитовые плиты
Диатомовый кирпич
(ГОСТ 2694—78)
Кирпич легковесный ша-
шамотный (ГОСТ 5040—78)
Кирпич пеношамотный
Совелитовые плиты
Объемная масса, кг/м3
в порошке
650—850
450
300—500
0,150—0,250
180—250
230—250
500
200—250
—
—
—
—
—
—
в изделиях
—
—
—
—
—
—
—
—
400
300—380
400
550—750
900—1300
600—800
400—450
Коэффициент тепло-
теплопроводности К,
Вт/(м- К)
0,0233 + 0,000186/
0,16224-!- 0,0001686/
0,0907 + 0,00028/
0,0721 + 0,000262/
0,0465—0,058/ при
50 °С
0,0901 + 0,0000872/
0,1046 при 50°С
0,058+ 0,000162/
0,0988 при 100 °С
0,0198+0,000151/
0,0802 + 0,000209/
0,1128 + 0,00023/
0,605 при 100 °С
0,756 при 1200°С
0,128—0,186/ при 100 °С
0,079 + 0,000186/
Максимальная
температура
применения, °С
500
300
800—900
900—1000
50(f
500
900
750
—
660—750
700—750
800—900
1000—1200
1000—1100
450—500
Применение
Для изоляции горячих по-
поверхностей (чаще трубопрово-
трубопроводов) мастичными материалами
То же
В качестве засыпной изоляции
в печах различного типа
То же
В качестве засыпной изоляции
для низкотемпературных печей
То же
В качестве засыпной изоляции
в печах различного типа
В качестве засыпной изоляции
для низкотемпературных печей
Для изоляции стен и сводов
печей
То же
»
Для кладки наружного изо-
изоляционного слоя стен и сво-
сводов печей
Для кладки стен и сводов
печей с рабочей температурой
до 1100°С и для изоляции стен
и сводов высокотемпературных
гтрцрйг
ненец
Для изоляции стен и сводов
высокотемпературных печей и
для кладки стен низкотемпера-
низкотемпературных печей
Для изоляции стен и сводов
низкотемпературных печей

Температуру окружающей среды для расчетов принимают равной
20 °С.
Для определения толщины любой футеровки необходимо знать
потери теплоты через футеровку при известной температуре окружа-
окружающей среды и принимаемой температуре наружной поверхности фу*
теровки печи. Сначала йо рйс. 12 определяют общее термическое
сопротивление R^ всей футеровки. Далее находят термическое
сопротивление теплоизоляционного слоя RT, и, задавшись ее тол-
толщиной. Зная RT, й, рассчитывают термическое сопротивление огне-
упорного слоя /?0. м-
При принятых огнеупорном материале и множителе р толщина
огнеупорного слоя вычисляется по уравнению:
в= Ro.m/p
где б — толщина огнеупорного слоя, м.
Значения коэффициентов теплопроводности и \/Х приведены
в табл. 6.
Полученные величины толщины огнеупорного слоя, в случае
использования штучных изделий, приводятся в соответствие со стан-
стандартными размерами.
Этим же методом можно определить толщину любого слоя из
теплоизоляционного материала, если задаваться толщиной огне-
огнеупорного материала и других теплоизоляционных материалов,
входящих в композицию футеровки.
Проектирование средств обеспечения
печного процесса
Газо-, мазутоснабжение печей и отдельно стоящих топок. Газо-
Газоснабжение печей и топок. Система газоснабжения печей
является одним из ответственных ее элементов, и проектировать ее
имеют право только специалисты, имеющие соответствующий до-
допуск, выданный органами Госгортехнадзора СССР.
Газовое топливо к горелочным устройствам печей и топок по-
подается из системы внутрицеховых газопроводов низкого и среднего
давления.
Основные требования, предъявляемые к системам газоснабже-
газоснабжения: 1) обеспечение надежности и бесперебойности газоснабжения;
2) обеспечение постоянства параметров газа перед горелочными
устройствами.
В основу разработки принципиальных схем системы газоснабже-
газоснабжения должны быть положены следующие рекомендации: 1) макси-
максимально рациональная разводка газопроводов, обеспечивающих проч-
прочность, простоту и удобство эксплуатации печей; 2) обеспечение
полной безопасности персонала и оборудования при подготовке
к пуску, в момент пуска и эксплуатации печей; 3) отсутствие не-
7 Исламов М. Ш. 197

оправданного удорожания стоимости строительства за c*iet
личения металловложений.
Систему трубопроводов газоснабжения по назначению можно
разделить на следующие виды: основной газопровод; газопровод
безопасности (на схемах обозначается индексом «б»); продувочный
газопровод (на схемах обозначается индексом «п»); газопровод
к электрозапальнику (на схемах обозначается индексом «эз»).
Основной газопровод с отключающими и регулирующими устрой-
устройствами предназначен для транспортирования природного газа от
газорегуляторной установки (ГРУ) до горелки печи, топки.
Газопровод безопасности предназначен для отвода природного
газа в атмосферу над цехом из патрубка между задвижками (при-
(природный газ проникает туда из-за неплотности задвижек). Этим до-
достигается предотвращение проникания природного газа в камеру
горения печи, топки и исключается образование взрывоопасной газо-
газовоздушной смеси. Газопровод безопасности функционирует только
в периоды, когда печь, топка не работает.
Продувочный газопровод предназначен для того, чтобы вывести
из основного газопровода в атмосферу над цехом газовую среду,
находящуюся в нем перед подачей природного газа к горелкам печи,
топки в период их пуска.
Газопровод электрозапальника предназначен для подачи природ-
природного газа в камеру горения печи и топки к электрозапальнику и
получения устойчивого пламени. Газопровод электрозапальника —
автономный, газ по нему подается из цехового газопровода, минуя
ГРП и основной газопровод. Этот газопровод функционирует по-
постоянно при работе печи.
Учитывая многолетний опыт эксплуатации печей, работающих
на газовом топливе, для унификации схем и оборудования далее
рекомендуются шесть схем системы газоснабжения печей и топок,
учитывающие все возможные случаи.
Рекомендуемые схемы обвязочных газопроводов печи, топки
составлены с учетом давления газа в подводящих газопроводах,
типа применяемых отключающих устройств, а также типа газовых
горелок.
Зависимость схем от типа отключающих устройств характери-
характеризуется главным образом типом применяемых рабочих отключающих
устройств, так как они являются последними по направлению дви-
движения газа запорными устройствами, препятствующими проникно-
проникновению газа в печь, топку.
На каждой из рекомендуемых схем обвязочных газопроводов
(рис. 50—55) показаны две печи, оборудованные: 1) одной горелкой;
2) двумя горелками.
На рис. 50 представлена схема обвязочных газопроводов на
печах и топках, оборудованных дутьевыми горелками низкого или
среднего давления и отключающими устройствами — задвижками.
При продувке ответвления газопровода к агрегату по этой схеме
необходимо открыть главное отключающее устройство 17 на агрегат,
кран 25 на продувочном трубопроводе и кран // на трубопроводе
198

Газ
к электро-у
запальнику
Газ к электро-
электрозапальнику
иг1
Рис. 50. Схема газоснабжения печей, оборудованных дутьевыми горелками низкого или сред-
среднего давления и отключающими устройствами — задвижками:
/ — вентилятор; 2 — заслонка с пневмоприводом; 3 — манометр с краном; 4 — диафрагма
на воздухопроводе; 5 — клапан регулирующий на воздухопроводе; 6 — электрозапальник;
7 — клапан СВФ (соленоидный вентиль фреоновый) на газопроводе к электрозапальнику;
8 — кран на газопроводе к электрозапальнику; 9 — рабочая задвижка; 10 — штуцер с проб-
пробкой; 11 — кран на трубопроводе безопасности; 12 — контрольная задвижка; 13 — клапан
регулирующий; 14 — клапан-отсекатель; 15 — диафрагма; 16 — манометр с краном; 17 —
главная задвижка; 18 — цеховой газопровод; 19 — трубопровод безопасности; 20 — свеча
трубопровода безопасности; 21 — продувочный трубопровод; 22 — свеча продувочного тру-
трубопровода; 23 — кран с пробкой для взятия пробы газа на продувочном трубопроводе;
24, 25 — краны на продувочном трубопроводе; 26 — запальник ручной; 27 — горелка га-
газовая.
безопасности. Все остальные отключающие устройства должны
быть закрыты. Клапан-отсекатель 14 и регулирующий клапан 13
должны быть установлены в положении «открыто».
Окончание продувки определяется взятием пробы смеси из шту-
штуцера при открытии крана 13 на нем. При установке запальника
диффузионного типа окончание продувки можно определить взятием
пробы смеси из запальника 26 при открытии крана на нем.
В этой схеме увеличивается гарантия от возможного проникно-
проникновения газа в печь, топку в период продувки благодаря двум после-
последовательно расположенным закрытым отключающим устройствам 12
и 9. Более того, если даже негерметично контрольное отключающее
устройство 12, то утечки газа через него выйдут в атмосферу через
открытый кран 11 на трубопроводе безопасности. В период пуска
газовых горелок зажженный запальник вносится в печь, топку
до открытия контрольного и рабочего отключающего устройства 12
и 9, что в значительной степени увеличивает степень безопасности.
В период остановки печи, топки эта схема также гарантирует отвод
7* 199

fe £fMoc(j)epy ЬозможныХ уФечёк газа, просочившихся через гЛавнке
и контрольные отключающие устройства. Данная схема позволяет
также осуществлять периодически проверку герметичности отключа-
отключающих устройств 17, 12, 9 с помощью переносного манометра, под-
подключаемого к штуцеру, закрытому пробкой 10. Эта проверка произ-
производится следующим образом. Для проверки герметичности отключа-
отключающего устройства 17 необходимо закрыть все отключающие устрой-
устройства, кроме задвижки 12, которая должна быть открыта, и поставить
под давление участок газопровода, расположенный до главного
отключающего устройства 17 по направлению движения газа. Если
при этом отключающее устройство 17 негерметично, то переносной
манометр покажет увеличение давления.
Для проверки герметичности отключающего устройства 12 необ-
необходимо закрыть все отключающие устройства и поставить под да-
давление участок газопровода между отключающими устройствами 17
и 12 путем открытия, а затем закрытия отключающего устройства 17.
Если при этом отключающее устройство 12 негерметично, то пере-
переносной манометр покажет увеличение давления.
Для проверки герметичности отключающего устройства 9 необ-
необходимо закрыть все отключающие устройства и поставить под давле-
давление участок газопровода между отключающими устройствами 12
и 9 путем открытия, а затем закрытия отключающего устройства 12.
Если при этом отключающее устройство 9 негерметично, то перенос-
переносной манометр покажет падение давления. Во всех случаях проверки
герметичности отключающих устройств клапан-отсекатель 14 и
регулирующий клапан-13 на газопроводе устанавливаются в поло-
положение «открыто».
При обнаружении негерметичности отключающих устройств экс-
эксплуатация печей на газовом топливе не допускается.
Трубопровод безопасности всегда находится под атмосферным
давлением, поэтому соединение его с продувочным трубопроводом
недопустимо.
От газопроводов, имеющих одинаковый режим давления газа
и расположенных в пределах одного помещения, продувочные трубо-
трубопроводы и трубопроводы безопасности могут быть соответственно
объединены и выведены двумя трубопроводами на 1 м выше конька
крыши здания.
На рис. 51 представлена схема обвязочных газопроводов на
печах, топках, оборудованных дутьевыми горелками среднего давле-
давления и отключающими устройствами — кранами. В связи с большей
герметичностью кранов эта схема по сравнению с предыдущей имеет
некоторые упрощения: 1) контрольный кран, являющийся общим
для горелок, устанавливается на газовом коллекторе как можно
ближе к отводу первой по направлению движения газа горелки
так, чтобы непродуваемый участок газопровода после контрольного
крана имел минимальную протяженность; 2) для раздельной про-
проверки герметичности главного и контрольного кранов и групповой
проверки герметичности рабочих кранов предусматривается штуцер
с пробкой для подключения переносного манометра.
200

Газ от ГРУ
Газ
к электро-
запальник
Рис. 51. Схема газоснабжения печей, оборудованных дутьевыми горелками среднего давле-
давления и отключающими устройствами — кранами:
/ — рабочий кран; 2 — контрольный кран; 3 — главный кран.
Схема обвязочных газопроводов на топках, оборудованных дутье-
дутьевыми горелками низкого давления и отключающими устройствами —
кранами, представлена на рис. 52. В связи с наличием газа низкого
давления перед горелками и большей герметичностью кранов эта
схема имеет значительные упрощения: 1) контрольный кран яв-
является общим для горелок и главным краном на ответвлении газо-
газопровода к агрегату; 2) трубопроводы безопасности не устанавли-
устанавливаются; 3) штуцера с пробками для проверки герметичности отклю-
отключающих устройств не предусматриваются. При необходимости эта
проверка может производиться по манометру, установленному на
газовом коллекторе горелок.
На рис. 53—55 приведены схемы обвязочных газопроводов печей,
оборудованных инжекционными горелками. Они аналогичны пре-
предыдущим схемам и отличаются только отсутствием дутьевых уста-
установок.
При определении диаметров газопроводов на печи, топке следует
исходить из следующих скоростей газа: в распределительных газо-
газопроводах — 10—12 м/с, в отводах к горелочным устройствам —
5—7 м/с.
При расчете газопроводов среднего давления скорость газа может
быть принята равной 25—30 м/с и выше в зависимости от имеющегося
исходного и требуемого рабочего давления перед горелкой.
В случае установки на газопроводе диафрагмы для замера рас-
расхода газа скорость его должна приниматься не менее 10 м/с,
201

Газ от ГРУ
Рис. 52. Схема газоснабжения печей, оборудованных дутьевыми горелками низкого давле-
давления и отключающими устройствами — кранами:
/ — рабочий кран; 2 — контрольный кран.
Газ от ГРУ
Газ
к электро-
электрозапальнику
Рис. 53. Схема газоснабжения печей, оборудованных инжекционными горелками среднего
или низкого давления и отключающими устройствами — задвижками:
/ — газовая горелка; 2 — клапан СВФ на газопроводе к электрозапальнику; 3 — главная
задвижка; 4 — контрольная задвижка; 5 — рабочая задвижка.

б—■
Газ
кэлектро-
эапальнику
Рис. 54. Схема газоснабжения печей, оборудованных инжекционными горелками среднего
давления и отключающими устройствами — кранами:
/ — рабочий кран; 2 — контрольный кран; 3 — главный кран.
Газ от ГРУ
Газ
к электро-
запальнику
Рис. 55. Схема газоснабжения печей, оборудованных инжекционньши горелками низкого
давления и отключающими устройствами — кранами:
J — рабочий кран; 2 — контрольный края.

Рис. 56. Малый фильтр:
/ — пространство прохода мазута; 2 —
стойки; 3, 7 — проходные отверстия;
4 — штуцер для входа мазута; 5 —
пробка; 6 — винт; 8 — корпус; 9 —
цилиндрическая сетка.
Мазутоснабженио
печей и топок. Под-
готовка мазута к сжиганию.
Для обеспечения полной*
сжигания, а также четкой,
бесперебойной работы фор-
форсунок и аппаратуры при лю-
любых нагрузках в автоматиче-
автоматическом режиме мазутное топ-
топливо требует тщательной
подготовки, которая заклю-
заключается в обеспечении необхо-
необходимой вязкости топлива,
требуемого постоянного давления и фильтрования.
Доведение вязкости мазута до определенного уровня и автомати-
автоматическое поддержание ее на этом уровне являются необходимыми
условиями для успешной работы печи, топки, так как изменение
вязкости приводит к изменению расхода мазута и неравномерному
распределению его по форсункам.
Оптимальной величиной вязкости необходимо считать 5° ВУ, но,
поскольку.вязкость мазута разных марок при одинаковой темпера-
температуре различна, при определении температуры подогрева следует
руководствоваться графиком, приведенным на рис. 13.
Высоковязкий мазут марки 100 необходимо подогревать до 100—
105 °С, а при наличии в мазуте влаги — до 95 °С.
Для стабильной работы форсунок необходимо поддерживать
температуру мазута перед ними с точностью ±2 °С.
Давление мазута перед форсунками должно быть постоянным,
так как его колебания вызывают изменения производительности
форсунок, а точнее, сказываются на качестве распыления уазута.
Давление мазута должно стабилизироваться регуляторами прямого
действия, поддерживающими заданное давление «после себя».
Для контролирования параметров мазута непосредственно перед
форсункой следует устанавливать расходомер, термометр и мано-
манометр.
Давление мазута у форсунок должно поддерживаться с точ-
точностью ±2%.
Во избежание засорения регулятор давления мазута необходимо
устанавливать на мазутопроводе к печи, топке после фильтра.
Фильтрование мазута обязательно при работе печей с автомати-
автоматическим регулированием параметров получаемого теплоносителя.
К установке на мазутопроводе печей может быть рекомендован
фильтр конструкции ВНИПИТеплопроекта (рис. 56).
204

Необходимую подготовку мазута должна обеспечить заводская
(цеховая) станция. Подготовка мазута у печи, топки рассчитана
лишь на выравнивание и поддержание параметров мазута.
Схема узла подготовки мазута у печи, топки приведена на рис. 57.
Сечение мазутопроводов определяют по заданной скорости про-
протекания мазута. Для малых расходов может быть рекомендована
скорость 0,1 м/с, а для больших расходов — до 1 м/с.
Сечение мазутопроводов определяют по уравнению:
где d — диаметр трубопровода, мм; В— расход мазута, кг/ч; рм—плотность ма-
мазута, кг/м3; w — скорость протекания, м/с.
Рекомендуемые диаметры мазутопроводов в зависимости от рас-
расхода мазута:
Расход Диаметр Расход Диаметр
мазута В, мазутопро- мазута В, мазутопро-
кг/ч вода, дюймы кг/ч вода, дюймы
До 30 3/8 200—500 3/4
30—200 V2 500—1000 1
Наименьшим диаметром мазутопровода следует принимать 3/8".
Сечение паропроводов и воздухопроводов определяют по коли-
количеству протекаемого распылителя и принятой экономичной скорости
протекания. Рекомендуемые скорости протекания (в м/с): для пара
насыщенного — 20—30, перегретого — 30—60; для воздуха венти-
вентиляторного — 10—15, компрессорного — 15—20.
Диаметр паро- и воздухопровода определяют по следующим
уравнениям:
d— 18,8 VDv/w; d= 18,8 V~L/(pw); d = 18,8 VVJw
где L — массовый расход воздуха, кг/ч; V — объемный расход пара или воздуха;
v — удельный объем, м3/кг.
В случае применения подогретого воздуха объем его возрастает,
а плотность снижается пропорционально отношению температур
(при неизменном давлении):
VJVt = P2/Pl = TJT2
Отсюда возникает необходимость пересчета объема и плотности
воздуха для новых условий. При этом должно учитываться то, что
Воздух
Рис. 57. Схема узла подготовки мазута у печи:
/ — контактор; 2 — электронагреватель; 3 — контактный термосигнализатор типа ТК; 4 —
пластинчатый фильтр; 5 — пружинный манометр; 6 — регулятор давления мазута; 7 —
расходомер; 8 — термометр; 9 — экран.
205

Рис. 58. Схема цехового мазутопровода к печи:
1 — заводское мазутохранилище; 2 — насос для подачи мазута 3 — цеховые баки; 4 —
термометр; 5 — мазутопровод; 6 — кран; 7 — регулятор давления; 8 — манометр; 9 — об-
обратная линия; 10 — форсунка; // — сливной патрубок; 12 — конденсатоотводчик; 13 —
расходомер; 14 — пластинчатый фильтр; 15 — сетчатый фильтр; 16 — паровой спутник
мазутопровода.
скорость протекания воздуха увеличивается прямо пропорционально
изменившейся плотности.
Схема цехового мазутопровода к печи приведена на рис. 58.
Для нагревания мазута до 70—80 °С все мазутопроводы вплоть
до форсунок должны постоянно подогреваться с помощью паро-
паропровода (парового «спутника»), заключенного в одну общую изоля-
изоляцию с мазутопроводом (рис. 59). Для пара должен быть предусмотрен
надежный отвод через конденсационный горшок, шайбу или кран,
чтобы конденсат не застаивался в ответвлениях.
Дутьевое оборудование. Нормальная работа печей, топок может
быть обеспечена только при правильном выборе дутьевого оборудо-
оборудования (вентиляторы, турбовоздуходувки).
При помощи дутьевого оборудования осуществляются подача
воздуха на горение, распыливание жидкого топлива и его перемеши-
перемешивание с окислителем в форсунках или создается горючая газовоздуш-
газовоздушная смесь в горелках, а также подается воздух или инертный газ
в камеру смешения для снижения температуры продуктов горения
до требуемой. Дутьевым оборудованием обеспечивается необходимое
давление, с которым теплоноситель должен подаваться к потреби-
потребителям.
При выборе дутьевого оборудования необходимо ориентироваться
на те типы, которые изготовляются на заводах СССР.
Работа вентилятора характеризуется соз-
создаваемым напором h (в Па), производитель-
производительностью (в м3/ч), потребляемой мощностью
(в кВт), частотой вращения п (в об/мин).
Ряс. 59. Сечение мааутопровод* с подогревом;
I — мазутопровод; 2 — деревянная рейка; 3 — теплоизоляция;
4 — яаропровод; S — листовая сталь,
206

По величине создаваемого напора вентиляторы подразделяются
на вентиляторы низкого давления (максимально создаваемый напор
h = 1000 Па); среднего (h = 1000-f-3000 Па) и высокого давления
(Л = 30004-15 000 Па).
При одной и той же частоте вращения (числе оборотов) напор h
зависит от величины производительности вентилятора V. Эта зави-
зависимость, называемая характеристикой вентиляторов, дается
в виде графиков и таблиц в каталогах и справочниках по венти-
вентиляторам.
Все характеристики вентиляторов, за исключением особо огова-
оговариваемых случаев, строятся для стандартных условий.
К. п. д. вентилятора существенно зависит от режима, т. е. от того,
в какой области характеристики он работает. Выбор вентилятора
и числа его оборотов следует делать так, чтобы при средних нагруз-
нагрузках он работал в режиме, при котором к. п. д. близок к максималь-
максимальному значению.
Выбор вентиляторов рекомендуется проводить по графикам
характеристик, приведенных в каталогах.
Мощность электродвигателя для вентилятора определяется по
формуле:
N = 3,6- Ю-в/СЛ^Кт]-1
Здесь N — мощность, кВт; /i£ — суммарный напор при рабочих условиях,
т. е. при заданной температуре, Па; V — максимальная производительность венти-
вентилятора при рабочих условиях, м3/ч; К — коэффициент запаса мощности на пуско-
пусковой момент (определяется в зависимости от мощности электродвигателей по табл. 22);
Л = Лв'Пп — к. п. д. вентиляторной установки; т|в — к. п. д. вентилятора (опреде-
(определяется по каталогу вентиляторов в соответствии с режимом работы); т|п — к. п. д.
привода (табл. 23).
Рекомендуемое для применения дутьевое оборудование указано
в табл. 24.
Борова — это футерованные каналы для транспортирования
отходящей из печей газовой печной среды до выбросных труб. Кон-
Конструкции боровов типизированы, и они выбираются в зависимости
от количества газовой печной среды, ее температуры и химического
состава. При температуре отходящих газов до 500 °С борова футе-
футеруются глиняным кирпичом марки 75 (рис. 60, табл. 25), а при более
высоких температурах — шамотным кирпичом класса В или Б на
шамотном растворе с несущей конструкцией из глиняного кирпича.
ТАБЛИЦА 22. Коэффициент ТАБЛИЦА 23. К. п. д. различных приводов 1],,
запаса мощности
Мощность
электродвига-
электродвигателя, кВт
0,5
1,0
2,5
5,0 и более
Конструкция привода
Прямое соединение вентилятора с элек-
1,5 тродвигателем посредством муфты
1,3 Ременной привод:
1,2 с клиновыми ремнями
1,15—1,1 с плоскими ремнями
0,95
0,90
0,85
207

Рис. 60. Боров полуциркульный из глиняного кирпича.
Рис. 61. Боров с лучковым сводом (а 60°).
Приведенные на рис. 61 и 62 основные размеры (табл. 26 и 27) при-
приняты для среднего и слабого грунтов, имеющих следующую харак-
характеристику:
Расчетное сопротивление, МПа
Плотность, кг/м3
Угол естественного откоса, град
Средний грунт
0,25
1,8
40
Слабы vi
грунт
0,20
1,9
30
К средним грунтам можно отнести суглинки и супеси в твердом
состоянии с пористостью е = 0,7, глины в твердом состоянии се —
= 1,1 и суглинки в пластичном состоянии сб^ 0,8, а к слабым —
суглинки в твердом состоянии с е = 1,0, супеси в пластичном со-
состоянии се = 0,7 и глины в пластичном состоянии се = 0,8.
При значительной нагрузке на пол цеха в месте заложения боро-
боровов (до 20 т/м2) целесообразно применять борова с железобетонными
несущими конструкциями (рис. 63, табл. 28). Огнеупорная футе-
футеровка боровов этого типа заключена в металлический кожух, между
ТАБЛИЦА 24. Характеристика дутьевых устройств, рекомендуемых к установкам
в печных комплексах
Оборудование
Центробежные компрессор-
компрессорные машины
Вентиляторы высокого да-
давления
Вентиляторы среднего дав-
давления
Тип
Турбовоздуходувка
ц 10—28
ввд
ц 14—46
ц 6—46
ц 9—57
Производи-
Производительность
2—30
1—20
1 — 15
3-30
1,5—17
0,5—10
Напор,
кПа
6—90
2,6-7,5
2,5-6,0
1,5-2,0
1,0-1,8
0,2—1,9
2Q8

ТАБЛИЦА 2S. Основные размеры боровов с полуциркульным сводом
из глиняного обыкновенного кирпича
A
500
625
750
875
1000
1125
1250
1375
1500
1750
2000
2250
Б
615
747
880
1080
1215
1347
1480
1615
1745
2220
2515
2680
R
250
312
375
437
500
562
625
687
750
875
1000
1125
Размеры,
В
195
195
195
195
195
195
195
195
195
265
265
265
Г
560
630
700
840
910
980
1050
1120
1190
1610
1680
1820
мм
Д
1060
1192
1325
1650
1785
1917
2050
2307
2440
2985
3180
3445
Е
1000
1125
1250
1625
1750
1875
2000
2375
2500
2750
3000
3250
•
Ж
1100
1200
1350
1700
1850
2000
2100
2500
2600
2850
3350
3600
К
250
250
250
375
375
375
375
500
500
500
500
500
я
о ..
о> то
S о
к!
0,28
0,425
0,599
0,865
1,108
1,380
1,678
2,008
2,373
3,550
4,40
5,485
р боро-
£я
§Л
£8
2,02
2,48
2,93
3,53
4,0
4,46
4,92
5,38
5,84
7,19
7,97
8,90
ентный
4F/Pf м
ю а>
||
СП Ч
0,55
0,49
0,81
0,97
1,11
1,23
1,33
1,49
1,62
1,97
2,20
2,46
ним и железобетонными конструкциями имеется воздушная про-
прослойка, предотвращающая перегрев железобетона.
При проектировании боровов с железобетонными несущими
конструкциями необходимо обеспечить интенсивную циркуляцию
воздуха в пространстве между кожухом и внутренней поверхностью
железобетонной коробки. С этой целью предусматривают вытяжные
шахты для подвода и отвода воздуха, как показано на рис. 64.
Для осмотра и очистки боровов предусматривают лазы. Конструк-
Конструкции лазов показаны на рис. 65. Толщина земляного покрова над
подземными боровами должна быть не менее 300 мм.
Рис. 62. Боров с полуциркульным сводом.
Рис. 63. Боров с железобетонными несущими конструкциями.
209

« ~ 5 .
ЦП
s a
аой,
О S С
М Я <
210
OCSt
О ~ C
о о о" о"
CD СГ> 00 <N —I —'
OOOtOiCO
ЗОООт^СОООС^Ют^ОО
TfOiCDOJ
—'ТГОО—'Ю
ООО
LOiOLO
ООЮЮЮЮС
iOiOttht^<
оюо
LOCDOO
C
(NOO^OOO^OCDfN
CD(N 00 т^ О
СТ> — CN1 Tf CD
-* О 00-* (N 00 t^ (N 0C
CD О CD ~ " ~ "
_ _ CD
^CTOCOlOCDOOCTiCO,
051^.00—"CDOOCOOOt^CN
lOcOOOO'jO'^COtiON
CD 00 CTi """^ - - - —- . -
rHOCOOOOiO—'(NOOlO
2
I
|
|
09
S
!
I
a
| о
a.o"cC
LO CO S 00 i
oooo-
ОООООЮЮЮЮС
OJOJOJCNOJCOCOCOCOl
5 О О
> о о
88?
8SS
5 t^ О 00 CD O00
CD О 00
OJOOtaiC^ObO
OJ CN OJ OJ <N 00 00 00 ^
) OCS rj^ CD 00

ТАБЛИЦА 28. Основные размеры боровов прямоугольного сечений
с железобетонными конструкциями
Проходное
Сечение, м2
2,5
3,5
4,5
5,5
6,5
8,0
10,0
12,0
15,0
18,0
21,0
25,0
30,0
в
1392
1624
1856
2088
2320
2552
2784
3016
3364
3712
3944
4292
4756
Ь
230
348
Размеры, мм
Н
1894
2197
2500
2803
3106
3477
3924
4295
4614
5000
5507
6030
6500
Их
1632
1904
2176
2448
2720
3060
3536
3876
4148
4488
4964
5440
5848
h
75
15
187
218
249
280
311
342
373
404
451
497
528
575
637
230
300
Для предотвращения разрушения боровов от взрыва при работе
на газообразном топливе предусматриваются взрывные клапаны
из расчета 250 см2 площади взрывного клапана на 1 м3 объема бо-
борова.
Одна из конструкций взрывного клапана изображена на рис. 66.
Борова обязательно должны быть защищены от грунтовых и ключе-
ключевых вод. Наличие воды в борове значительно ухудшает тягу, и по-
поэтому перед пуском печи необходимо высушить, а это удорожает их
эксплуатацию.
Площадь сечения боровов определяют, задаваясь скоростью
потока газов, по следующей формуле:
F = Vr\/w
где F — площадь сечения борова, см2; V — средний объем дымовых газов, движу-
движущихся по борову (с учетом потерь от выбивания или засоса воздуха и отнесенный
к среднему расходу топлива), м3; г] — расчетный коэффициент форсирования — от-
отношение расхода топлива в пиковую нагрузку к среднему расходу топлива; w —
приведенная скорость дымовых газов в борове, м/с.
Рис. 64. Устройство вентиляции боровов с несущими железобетонными конструкциями:
1 — проем для подсоса воздуха; 2 -- вытяжная шахта.
211

Рис. 65. Конструкция лазов в борова:
а — при температуре дымовых газов до 500 °С; б — при температуре дымовых газов выше
500 °С; / — плита; 2 — засыпка; 3 — крышка; 4 — подъемный свод.
Средняя скорость движения дымовых газов в боровах прини-
принимается в зависимости от температуры 1—3 м/с (нижний предел — при
температуре дымовых газов 600—800 °С, верхний — при 300—
400 °С).
Минимальные размеры сечения боровов должны быть 465 X
X 580 мм, чтобы можно было их чистить, осматривать и ремонти-
ремонтировать.
Дымовые трубы — устройства, предназначенные для создания
необходимого разрежения в рабочей и топочной камерах печей,
привода газовой печной среды в движение и последующего отвода
в окружающую атмосферу. В печах с принудительной тягой трубы
только отводят газовую печную среду. Расчет высоты трубы про-
проводится в два этапа. Сначала расчетом определяется предварительная
высота трубы, которая проверяется затем на удельные концентра-
концентрации токсичных газов, создаваемые в регионе завода. В случае необ-
Рис. 66. Клапан взрывной:
/ — металлическая сетка; 2 - асбестовый лист; 3 — крышка; 4 — корпус.
212

ходимости высота трубы увеличивается и проводится окончательный
гидравлический расчет на заданную высоту трубы для создания
необходимого разрежения в рабочей и топочной камерах. Высота
трубы должна быть на 3—5 м выше конька наиболее высокого зда-
здания в радиусе 100 м.
Современные печные комплексы оснащаются трубами: кирпич-
кирпичными с максимальной высотой 150 м и допустимой температурой
проходящей печной среды до 800 °С; железобетонными трубами
с максимальной высотой 200 м и допустимой температурой газовой
среды 200 °С; металлическими футерованными трубами с максималь-
максимальной высотой 60 м и допустимой температурой газовой среды до 800 °С.
Железобетонные трубы из обычного бетона при наличии футеровки
и тепловой изоляции не должны нагреваться более 500 °С. Проекти-
Проектирование кирпичных и железобетонных труб осуществляется инсти-
институтом ВНИПИТеплопроект.
Для выброса агрессивной печной среды из печей чаще всего
применяются металлические трубы (нержавеющая сталь), собранные
из отдельных царг высотой до 150 м, установленных на специальных
опорных конструкциях, позволяющих заменить любую часть ствола
трубы в случае выхода ее из строя.
На одной опорной установке иногда устанавливают несколько
труб чтобы уменьшить площадь, занимаемую трубами, и сократить
расход металла на опорные устройства.
Конструкции труб для печного комплекса показаны на рис. 67.
Площадь поперечного сечения устья трубы определяют по фор-
формуле / = Уух. r/w. Отсюда диаметр в устье трубы:
Здесь Уух. г — объем отходящих газов, м3/с; w — скорость газов в устье
трубы, м/с.
Скорость газов w принимают равной 3—5 м/с. При колебании
расхода топлива скорость газов не должна выходить за пределы
2—8 м/с. При скорости меньше 2 м/с возникает опасность затекания
холодного воздуха через устье трубы, а при скорости больше 8 м/с
слишком велико гидравлическое сопротивление трубы. Для кир-
кирпичных, железобетонных и футерованных металлических труб мини-
минимальный диаметр устья должен быть не менее dyCT — 800 мм.
Величину разрежения ДР, требуемого для нормальной работы
печи, определяют по сумме величин сопротивлений: местных У] ^м>
трения 2 Лтр и связанных с наличием геометрического напора
S К, т. е.
При определении величины потери напора по пути движения
дымовых газов учитываются сопротивление всего дымового тракта
до дымовой трубы, а также сопротивление самой дымовой трубы.
Количество отходящих газов и их температура на различных уча-
участках тракта принимается с учетом подсоса воздуха. Для компенса-
компенсации неучтенных сопротивлений и для обеспечения нормальной ра-
213

Рис. 67. Дымовые трубы:
а — железобетонная; б — кирпичная; в — металлическая; 1 — боров; 2 — огнеупорная
футеровка; 3 — лестница; 4 — молниеотвод; 5 — площадка; 6 — ствол трубы; 7 — зазем-
заземление; 8 — фундамент.
боты дымовой трубы при различных режимах работы печи и засоре-
засорении каналов вводится коэффициент К = 1,2-М,4.
Высоту дымовой трубы Н определяют по формуле:
где АР — требуемое разрежение с учетом запаса, Па; рв — плотность воздуха при
максимальной для данного района летней температуре, кг/м3; рг — плотность отхо-
отходящих газов при средней температуре в дымовой трубе, кг/м3; g— ускорение сво-
свободного падения, м/с2; В — барометрическое давление, Па.
При О °С плотность воздуха может быть принята равной
1,29 кг/м3, а плотность отходящих газов — 1,3 кг/м3. При расчетах
следует учитывать падение температуры в каналах вследствие отдачи
теплоты в окружающую среду (табл. 29).
Среднюю температуру воздуха tu по высоте трубы определяют
по формуле:
tB = tB
214

ТАБЛИЦА 29. Изменение температуры в каналах
Температура, °С
200—300
300—400
400—500
500—600
600—700
Изменение температуры в каналах, °С/м
подземных
кирпичных
1,5
2
2,5
3
3,5
надземных кирпичных
изолированных
1,5
3
3,5
4,5
5,5
неизолированных
2,5
4,5
5,5
7
10
где /в — температура воздуха у основания трубы, зависящая от климатических
условий, °С; Н — ориентировочная высота трубы, м; для умеренного климата /^ —
= 5-М0°С, для жаркого t'b-= 15-ь25°С, для холодного /в = —10-*-+ 10 °С.
Коэффициент трения о стенки кирпичных труб можно принимать
равным 0,05, металлических — 0,03.
Если одна дымовая труба обслуживает несколько печей, то расчет
ведут на суммарное количество дымовых газов и берут разрежение
по наибольшему сопротивлению дымового тракта (а не по сумме
сопротивлений всех печей). Так как совместная работа печей создает
ряд дополнительных неблагоприятных условий (подсосы от нерабо-
неработающих печей, взаимное влияние нескольких подводимых потоков
и пр.), то следует брать наибольший запас по количеству газовой
среды и разрежению.
Для определения ориентировочной высоты трубы, можно пользо-
пользоваться рис. 68 и 69.
Шибера для боровов. Шибер—это устройство для достаточно
плотного отключения печей от тяговой установки, а также для
достижения легкого и чувствительного регулирования количества
газовой печной среды, выходящей из печи, и их давления.
Шибер ставится при выходе отходящих газов из камеры печи
и представляет собой чугунную, керамическую заслонку, опущен-
опущенную в боров и подвешенную на тросе, перекинутом через блок с про-
противовесом или непосредственно на барабан ручной или электриче-
электрической лебедки. Шибера в боровах для зоны с температурой дымовых
газо^до 600 °С выполняются из чугуна (рис. 70). Поворотный шибер
показан на рис. 71. Для зоны с температурой выше 600 °С шибера
для предотвращения коробления выполняются водоохлаждаемыми
(рис. 72) или керамическими (рис. 73).
Для закрывания шибера в поднятом состоянии и с целью создания
большой герметичности его заключают в сварной металлический
короб, в котором оставляют отверстие для пропускания троса или
тяги. Заслонка шибера печей, работающих на газовом топливе,
должна иметь отверстие диаметром 50 мм для создания тяги в печи
при опущенном шибере. Наличие тяги предотвращает скопление
взрывоопасной газовоздушной смеси в камере печи, образующейся
из-за неплотностей газорегулирующих задвижек.
215

. „ Рис. 68. График для определе-
Ь ния ориентировочной высоты
дымовой трубы при температу-
температуре наружного воздуха О °С.
-—<^Г Рис. 69. График для определе-
определения ориентировочной высоты
дымовой трубы при температу-
температуре наружного воздуха 30 °С.
20 30 40 50 60 70 80 90 100
Высоте Йдымовой трубы,м
30 40 50 60 70 80 90
Высота Н дымовой трубы, м
100

Рис. 70. Шибер металлический:
/ — механизм подъема шибера; 2 — короб; 3 — чугунный шибер; 4 — плита.
±0
Рис. 71. Шибер поворотный:
/ — шибер; 2 — механизм поворота шибера; 3 — тяга; 4 — штырь; 5 — опора шибера;
6 — тумба.
8 Исламов М. Ш.

A-A
Вода
Рис. 72. Шибер водоохлаждаемый:
/ — плита; 2 —■ труба для подачи холодной воды; 3 —■ короб; 4 — шибер.
Рис. 73. Шибер керамический:
1 — короб; 2 — шибер.

Автоматизация и контроль получения теплоносителя
в пламенных печах и в отдельно стоящих топках
Теплоноситель для осуществления термотехнологических про-
процессов в пламенных печах получается непосредственно в рабочей
камере печи, в специальной топочной камере, выполненной в футе-
футеровке печи, и в отдельно стоящей топке, являющейся элементом
печного комплекса.
Принципиально способ получения теплоносителя для всех пла-
пламенных печей одинаков и заключается в организации сжигания
топлива, а отличается только местом теплогенерации.
При организации сжигания топлива в рабочей камере печи авто-
автоматизация этого процесса является одной из функций АСУ ТП
и рассматривается в каждом случае отдельно в зависимости от термо-
термотехнологических, теплотехнических и механических процессов.
Организация сжигания топлива во встроенных и отдельно сто-
стоящих топочных камерах печи одинакова.
Пламенные печи и отдельно стоящие топки должны оснащаться
только современными приборами автоматического регулирования
процесса получения теплоносителя заданных параметров. Условия
техники безопасности обеспечиваются средствами автоматизации
с централизованным контролем и с аварийной сигнализацией.
В данной книге рассматриваются схемы систем автоматизации
печей и топок, которые прошли многолетнюю промышленную экс-
эксплуатацию и показали при этом необходимую точность регулирова-
регулирования проведения процесса получения теплоносителя, а также надеж-
надежность в обеспечении необходимой безопасности эксплуатации.
Поэтому они могут быть рекомендованы к дальнейшему внедрению.
Подробное описание оборудования автоматики и контроля об-
общего назначения имеется в специальной литературе.
Системы автоматического регулирования процесса получения
теплоносителя в печах и топках. Автоматическому регулированию
при получении теплоносителя в печах и топках подлежат: расход
теплоносителя, давление (разрежение), температура и его химиче-
химическая активность.
Система автоматического регулирования существенно зависит
от вида сжигаемого топлива.
Автоматическое регулирование при сжи-
сжигании жидкого топлива. Схема системы автоматического
регулирования, приведенная на рис. 74, состоит из следующих
элементов: автоматического регулятора расхода теплоносителя, вы-
выходящего из топки, и автоматического регулятора температуры.
Автоматический регулятор расхода теплоносителя, выходящего
из камеры горения печи или топки. Регулятор расхода теплоносителя
/ предназначен для обеспечения теплоносителем печей при изме-
изменении потребления.
Изменение расхода теплоносителя осуществляется регулирова-
регулированием подачи вторичного воздуха (инертного газа), подаваемого в ка-
камеру смешения топки.
8* 219

Первичный
доздух
Третичный
воздух
Вторичный воздух
Рис. 74. Система автоматического регулирования получения теплоносителя сжиганием жид-
жидкого топлива:
/ — регулятор расхода теплоносителя; // — регулятор температуры; Л 2 — регулирующие
клапаны; 3 — форсунка; 4 — регулирующий клапан с пневмоприводом; 5 — топка; 6 —
термопара; 7 — диафрагма.
В качестве чувствительного элемента регулятора используется
диафрагма, установленная на линии теплоносителя в комплекте
с дифманометром. Исполнительным механизмом является поворотная
регулирующая заслонка с мембранным и ручным приводом, рас-
расположенная на линии входа вторичного воздуха (инертного газа)
в камеру смешения топки.
Измеритель расхода (дифманометр) устанавливается вблизи диаф-
диафрагмы, а самопишущий прибор и регулятор расхода устанавливаются
на щите в операторной.
Регулирование расхода теплоносителя осуществляется вводом
вторичного воздуха, за счет чего изменяется его температура, которая
автоматически восстанавливается до требуемой регулятором темпе-
температуры.
Автоматический регулятор температуры теплоносителя в печи
или выходящего из топки. Регулятор температуры // предназначен
для нормального проведения термотехнологического процесса,
а также для предотвращения перегрева футеровки камеры горения
топлива печи или топки.
Изменение температуры теплоносителя возможно двумя спосо-
способами: 1) при постоянном расходе теплоносителя — изменением рас-
расхода топлива; 2) при постоянном расходе топлива — изменением
расхода вторичного воздуха (инертного газа), подаваемого в камеру
смешения. Способ выбирается в зависимости от требований тепло-
потребителя. Регулятор температуры (серийный потенциометр) —
с пневматическим управлением. В качестве чувствительного эле-
элемента используется термопара, а в качестве исполнительного меха-
механизма — регулирующие клапаны с пневмоприводом. При примене-
применении форсунок с паровым распылением один регулирующий клапан
устанавливается на линии жидкого топлива к форсунке, а другой —
на линии пара к форсунке. Оба клапана оборудуются позиционерами
и управляются параллельно от одного регулятора.
220

Автоматическое регулирование при сжи-
сжигании газового топлива. В зависимости от параметров
получаемого теплоносителя и газогорелочных устройств система
автоматизации в печах и топках различна.
Ниже будет рассмотрена система автоматизации процесса получе-
получения теплоносителя на примере универсальной газовой топки, поз-
позволяющая получить теплоноситель с любыми параметрами для
печей.
Схема автоматизации приведена на рис. 75. Она включает в себя
автоматическое регулирование расхода, температуры и химической
активности теплоносителя.
Автоматическое регулирование расхода теплоносителя осуще-
осуществляется, в отличие от рассмотренного ранее, воздействием на
расход топлива.
Автоматическое регулирование температуры. Рассматриваемая
система предусматривает: 1) автоматическое поддержание темпера-
температуры в камере горения (800—900 °С) изменением подачи третичного
воздуха, что необходимо для увеличения срока службы футеровки,
2) автоматическое поддержание температуры теплоносителя;
выходящего из топки, изменением подачи вторичного воздуха (инерт-
(инертного газа).
Для регулирования температуры в обоих случаях используется
комплект, состоящий из термопары, автоматического потенциометра
с пневморегулятором и клапана с пневмоприводом.
Автоматическое регулирование химической активности полу-
получаемого теплоносителя. Назначение регулятора — поддерживать
постоянство расхода газового топлива и воздуха, подаваемого в го-
горелки, и тем самым строго сохранять определенное соотношение
топливо'воздух, что позволяет работать при 1 < а << 1 и получать
теплоноситель восстановительной, нейтральной или окислительной
химической активности. Расходы топлива и воздуха измеряются
комплектами диафрагм с дифманометрами.
Вторичный воздух
Рис. 75. Система автоматического регулирования процесса получения теплоносителя сжига-
сжиганием газового топлива:
/ — регулятор расхода теплоносителя; // — регулятор соотношения газ (топливо)/воздух;
/// — автоматический .потенциометр с пневморегулятором; / — топка; 2 — горелка; 3 —
датчик расхода газа; 4 — датчик расхода воздуха;" 5 — клапан с пневмоприводом; 6 — тер-
термопара; 7 — датчик расхода теплоносителя.
221

Рис. 76. Электрическая схема системы:
защиты печи на жидком топливе.
Для регулирования соотно-
соотношения применяется регулятор
пропорционально-интегральный
типа ПРЗ-3, который предна-
предназначен для непрерывного ре-
регулирующего воздействия в.
виде давления сжатого воздуха,
посылаемого к исполнитель-
исполнительному механизму с целью под-
поддержания одного из пневмати-
пневматических сигналов пропорцио-
пропорциональным величине второго*
пневматического сигнала.
Система автоматизации для
обеспечения требований тех-
техники безопасности. Защита
оборудования и обслуживаю-
обслуживающего персонала с помощью
средств автоматизации состоит
в том, что последние позволяют предотвратить создание аварий-
аварийной ситуации.
К средствам и схемам автоматизации, обеспечивающим требова-
требования техники безопасности, предъявляются требования фиксировать
и локализовать нарушения до возникновения аварии.
Печи и топки на жидком топливе. Опасность
эксплуатации печей и топок на жидком топливе заключается в том,
что вследствие погасания пламени при кратковременном перерыве
его поступления и возобновлении возможно образование взрыво-
взрывоопасной смеси топлива и воздуха.
Назначение системы — автоматически перекрыть подачу топлива
к форсункам в случае погасания пламени.
В систему входят следующие элементы: 1) чувствительный эле-
элемент и командный орган (фотореле), состоящий из фотоэлемента
и вспомогательного усиливающего реле; 2) исполнительный меха-
механизм — запорный блокирующий клапан с приводом блокирующего
механизма от электрической соленоидной катушки.
Электрическая схема системы автоматической защиты приведена
на рис. 76. При нажатии кнопки К-1 подводится ток к обмотке низ-
низкого напряжения трансформатора Тр (цепь /—7—2), к зажигающему
элементу ЭЗ подается ток высокого напряжения, от искры зажигается
топливо, подаваемое через форсунку в камеру горения, (при этом
имеется ввиду, что запорный клапан на линии топлива к форсунке
поддерживается вручную в открытом положении, а электрозапаль-
электрозапальник введен в камеру горения печи или топки). Пламя освещает фото-
фотореле, что приводит к замыканию контакта фотореле Ф, и по подго-
подготовленной нажатием кнопки К-1 цепи 1—3—4—5—6—2 включается
222

ток в соленоидную катушку запорного блокирующего клапана ЗК>
и, втягивая сердечник, при помощи курка запирает клапан в откры-
открытом положении.
Катушка.промежуточного реле 1РП также находится под током.
При этом замыкается контакт этого реле 1РП-1, блокирующий ка-
катушку реле, что позволяет отпустить кнопку /С-У, а соленоидная
катушка запорного клапана ЗК будет и после этого находиться
под током. Второй контакт этого реле 1РП-2 одновременно размы-
размыкается и подготавливает сигнальную цепь для работы при размы-
размыкании контакта Ф.
В случае аварийного погасания пламени в камере горения печи
или топки контакт фотореле Ф разомкнётся и цепь /—3—4—5—6—2
обесточится. Это приведет к обесточиванию соленоидной катушки
и спуску курка запорного клапана ЗК и его закрытию. Одновременно
замкнется контакт 1РП-2. Тем самым замкнется цепь, загорится
сигнальная лампа и включится звуковой сигнал. Снятие звукового
сигнала производится нажатием кнопки К-4, воздействующей на
катушку реле 2РП\ контакт этого реле 2РП-2 блокирует катушку
реле 2РП во включенном состоянии, а другой контакт 2РП-1
выключает сигнал.
Кнопки К-2 и К-3 служат для аварийного выключения печи или
топки обслуживающим персоналом.
Сигнальная лампа С, звуковой сигнализатор Г и кнопка К-2
располагаются на щите в операторской.
Печи и топки на газовом топливе. Опасность
при эксплуатации печей и топок на газовом топливе в том, что при
погасании пламени в печи или топке и продолжении подачи газа
в топочном пространстве может произойти образование взрывоопас-
взрывоопасной смеси, а при наличии источника воспламенения (каким всегда
является раскаленная футеровка) — взрыв.
Целью автоматической защиты является автоматическая отсечка
подачи газа в печь или топку при недопустимых нарушениях режима
горения: при падении давления газа или воздуха перед горелкой,
ухудшении тяги в печи или топке и погасании пламени.
Принципиальная схема автоматической защиты газовой печи
и топки, охватывающей все перечисленные выше возможные нару-
нарушения, приведены на рис. 77.
Розжиг запальника 10 осуществляется нажатием кнопки 4.
При этом открывается клапан 5 и включается бобина 6, обеспечива-
обеспечивающая подачу запальной искры. Наличие пламени на запальнике,
фиксируется фотодатчиком 8. Если отклонения параметров отсут-
отсутствуют, открывается клапан 2 и пропускает газ к главному отсека-
отсекающему клапану /; последний открывается вручную и удерживается
в открытом положении за счет давления газа, подводимого через
клапан 2. После открытия клапана 1 постепенно открываются вен-
вентили газа и воздуха на горелке и от действующего запальника проис-
происходит зажигание газовоздушной смеси. При любом нарушении
режима закрывается электромагнитный клапан 2 и срабатывает
отсекающий клапан У, закрывающийся под действием падающего
223

Вторичный
вбэдусс Пербычны
воздух
Рис. 77. Схема обеспечения требований безопасности газовой печи средствами автомати-
автоматизации:
/ — дымосос; 2,4 — магнитные пускатели; 3 — вентилятор; 5, 8 — электромагнитные кла-
клапаны; 6 — клапан-отсекатель; 7 — горелка; 9 — бобина; 10 — запальник; 11 — печь; 12 —
автоматический анализатор газа на кислород; 13, 15, 17 — датчики давления (Р); 14 —
датчик контроля пламени (/7); 16 — кнопка розжига.
груза. Повторное открывание клапана / возможно только вручную
после устранения всех нарушений.
Обязательным условием безопасной эксплуатации печей и топок
на газовом топливе является автоматическая блокировка электро-
электродвигателя дымососа с электродвигателем вентилятора, обеспечива-
обеспечивающая отключение вентилятора при аварийной остановке дымососа.
Запально-защитные устройства. Запально-
защитное устройство (ЗЗУ) является частью системы автоматизации
обеспечения техники безопасности эксплуатации печей и топок,
поэтому включается в общую схему автоматизации или работает
самостоятельно. ЗЗУ предназначены для дистанционного розжига
горелочных устройств на жидком и газовом топливе. Входящий
в комплект управляющий прибор с фотодатчиком пламени осуще-
осуществляет контроль за наличием основного пламени и в случае его
погасания дает команду на перекрытие газа.
Схема ЗЗУ приведена на рис. 78. Управляющий импульс одно-
одновременно открывает электромагнитный вентиль 1 на газовой линии
запальника 4 и подает напряжение на источник высокого напряжения
(бобина 5 или высоковольтный трансформатор). Образовавшееся
высокое напряжение поступает на центральный электрод запаль-
запальника. Между электродом и корпусом появляется искра и зажигается
газ. Импульс от появления пламени передается от датчика 3 на
управляющий прибор 2, где сигнал усиливается и в результате
срабатывает выходное реле управляющего прибора. Сигнал исполь-
используется как разрешение для выполнения следующих операций при
розжиге. В процессе работы печи фотодатчик осуществляет контроль
за основным пламенем.
224

ЗЗУ выпускаются заводом «Ильмарине» пяти модификаций. Для
печей и топок могут быть рекомендованы ЗЗУ-1 и ЗЗУ-6. В ЗЗУ-1
источником высокого напряжения является бобина с длительностью
одного включения не превышающей 30 с и перерывом между включе-
включениями 1 мин, а у ЗЗУ-6 — высоковольтный трансформатор, рассчи-
рассчитанный на длительный режим включения (ПВ = 100%).
Запальник (рис. 79) состоит из ствола 1 со штуцером для подвода
газа, центрального электрода 6, заключенного в керамическую
изоляцию 5, наконечника 5 и муфты. Под гайку штуцера устанавли-
устанавливается дроссельная шайба 8. В тыльной части выведен центральный
электрод для присоединения провода высокого напряжения. В на-
наконечнике имеются три винта 4 для центровки и регулировки поло-
положения центрального электрода и искрового промежутка. Болт 7
служит для фиксации наконечника. Запальники изготовляются
с длиной ствола L = 350-^-5000 мм. Газ в запальник поступает через
штуцер, проходит через ствол и воспламеняется на выходе из на-
наконечника от электрической искры, возникающей в искровом про-
промежутке между хвостиком центрального электрода и кольцевым
электродом наконечника. Запальник позволяет применять любой
горючий газ с теплотой сгорания от 13 до 121 МДж/м3.
Система контроля работы печи и топки.
Печи и топки должны быть оборудованы термопарами с показыва-
показывающими и записывающими приборами для контроля температуры
в камере горения, кольцевом зазоре, а также температур наружной
стенки кожуха топки и получаемого теплоносителя.
2 ото.
09 \
Рис. 78. Запально-защитное устрой-
устройство (ЗЗУ):
/ — вентиль: 2 — управляющий
прибор; 3 — фотодатчик; 4 — за-
запальник; 5 — бобина.
225

РЁ
63
WO-700
А-А
Рис. 79. Запальник:
016Х2 5 * — ствол; 2 — фланец; 3 — керамическая изоляция; 4 — винт для центровки;
■— ? 5 — наконечник; 6 — центральный электрод; 7 — болт для фиксации запаль-
запальника; 8 — дроссельная шайба.

Должны быть установлены показывающие приборы для измере-
измерения давления (разрежения) в печи или топке, газа и воздуха перед
приборами сжигания, на трубопроводе, подводящем воздух в коль-
кольцевой зазор-.
На трубопроводах газа и воздуха должны быть установлены
показывающие и записывающие приборы для контроля и фиксации
расхода.
Для контроля за количеством кислорода в теплоносителе, когда
его содержание регламентировано, устанавливается автоматический
газоанализатор, который непрерывно автоматически анализирует
и записывает содержание кислорода в теплоносителе и включает
сигнал при достижении максимально допустимого содержания его.
Обычно применяется магнитно-электрический газоанализатор.
Глава 10
КОНСТРУИРОВАНИЕ ПЕЧЕЙ
Общие сведения
Конструирование печей представляет собой творческий процесс
графического воплощения замыслов проекта печной системы в раз-
разрабатываемые конкретные конструкции печей, отвечающие требова-
требованиям изготовления и эксплуатации с получением заданного целевого
продукта. Это достигается за счет придания различным материальным
комплексам конкретных геометрических форм и свойств, определя-
определяющих логическую основу конструкции и обеспечивающих возмож-
возможность создания необходимых оптимальных и управляемых условий
для осуществления печных процессов.
Конкретный процесс конструирования печей представляет собой
совокупность конструирования их из нестандартных элементов
и подбора стандартных с конструированием узлов, стыкования
элементов между собой, а также примыкающих к ним коммуникаций,
оборудования и различных устройств средств обеспечения. Кон-
Конструирование — это процесс целесообразного компонования всех
элементов печей в их взаимной связи и с точным определением мест
их расположения.
Свойства, определяющие конструкцию печи: 1) обеспечение вы-
высокой степени надежности ее функционирования; 2) придание ма-
материальному комплексу технически обоснованной и целесообразной
геометрической формы, необходимой для ее функционирования и
удобной для изготовления; 3) возможность быстрой, рациональной,
частичной или полной ликвидации конструкции для капитального
ремонта, реконструкции или модернизации; 4) внешняя и внутрен-
внутренняя структуры конструкции.
Внешняя структура конструкции печи представляет собой свой-
свойство материального комплекса, которое включает в себя геометри-
геометрически конструктивный вид и представляет собой качественное свой-
227

сТво (характеристику) конструкции, а также комплекс размеров,
представляющих собой способ определения количественного свойства
(характеристики) конструкции, которое может быть установлено
с помощью инструментов.
Для определенного конструктивного типа печи лишь один ком-
комплекс размеров оптимален, т. е. соответствует критериям, выбран-
выбранным в качестве основы для оценки конструкции ее, поэтому недо-
недопустим случайный выбор комплекса размеров конструкции печи.
Существует тесная связь между комплексом размеров и конструк-
конструктивным типом печи, изменение комплекса размеров и изменение кон-
конструкции печи происходит одновременно.
Не всякий комплекс размеров имеет конструктивное значение.
Конструктивно значимым считается комплекс размеров, относя-
относящийся преимущественно к общим размерам печи.
Внутренняя структура конструкции печи, рассматриваемая как
некоторое ее свойство, представляет собой химический состав,
физические и химические свойства материального комплекса, из
которого она будет выполнена. Физика, химия, кристаллография,
материаловедение —все эти науки используются в качестве научной
основы для описания внутренней структуры.
Конструирование печей включает в себя выполнение графиче-
графического материала на основе конструктивных и прочностных расчетов.
Чертежи конструкции печи служат непосредственной техниче-
технической документацией для изготовления, так как они воплощают
строго однозначную основу с конкретизацией до степени, необходи-
необходимой для дальнейшей деятельности изготовления, и определяют
возможность реализации ее функций в рамках единой печной системы
«матер иал—среда—футеровка».
Технически совершенной конструкцией печи следует считать
ту, где сочетаются рациональные геометрические пропорции рабочей
камеры футеровки печи и расположение устройств теплогенерации,
обеспечивающие наилучшее протекание термотехнологических, те-
теплотехнических и механических процессов с исходными материалами
в печной среде.
Конструирование печей включает в себя: 1) конструирование
футеровки печи; 2) конструирование кожуха и каркаса печи; 3) кон-
конструирование устройства для загрузки печи исходными матери-
материалами; 4) конструирование устройства для выгрузки из печи готовых
продуктов; 5) конструирование узла ввода в печь и вывода из нее
печной среды; 6) конструирование узла стыкования сжигательных
устройств с остальными элементами печи; 7) конструирование уст-
устройств и оборудования для преобразования электрической энергии
в тепловую (нагреватели, концентраторы, электроды и механизмы
их перемещения, короткие сети, трансформаторы и т. д.) для элек-
электрических печей; 8) конструирование узла стыкования электротер-
электротермического оборудования с остальными элементами печи; 9) констру-
конструирование системы охлаждения исходных материалов, полученных
продуктов, кожуха печи, упоров, шиберов, заслонок и рабочих
окон, дюз (для выпуска металла, шлака), коротких сетей, трансфор-
228

маторов и т. д.; 10) конструирование рекуператоров и регенераторов;
11) конструирование механизмов вращения подины, ванны, барабана,
передвижения балок, тележек, лент, колосников, роликов, выкатных
подин, разгружателей заготовок (сталкиватели, вытаскиватели, вы-
выталкиватели), подъема крышек колодцев, заслонок, вскрывания
шлаковых леток, подъема и перепуска электродов и т. д.; 12) опре-
определение мест и конструирование узлов для установки приборов КИП
и автоматического регулирования всех процессов, протекающих
в печи и в печной среде; 13) конструирование фундаментов под печь
и ее механизмов.
Конструирование футеровки печей
Футеровка является важным конструктивным элементом печи.
Конструирование футеровки — это творческий процесс создания
из огнеупорных, кислотоупорных, теплоизоляционных и облицовоч-
облицовочных изделий и материалов ограждения рабочих и топочных камер,
а также всех узлов стыкования с другими конструктивными элемен-
элементами печи, средствами обеспечения печного процесса и системой
автоматизации. Это достигается за счет придания футеровочным
изделиям и материалам теоретически обоснованных, реальных и
конкретных пространственных внутрипечных и внешних геометри-
геометрических форм с необходимой степенью детализации.
Общие правила конструирования футеровки печей: 1) оконча-
окончательные геометрические формы печей определяются при совместном
рассмотрении желаемой геометрии рабочей и топочной камер, реко-
рекомендуемых в проекте, с другими конструктивными элементами
(газоходы, отверстия для установки сжигательных устройств, смо-
смотровых, загрузочных и разгрузочных окон, люков для очистки по-
подины и т. д.), а также узлов стыкования с другими элементами печи,
средств обеспечения и систем управления печными процессами;
2) недопустимость на внутренней поверхности рабочей и топочной
камер футеровки теоретически необоснованных выступов и впадин,
так как они влияют на характер движения печной среды, что отра-
отражается на процессах смесеобразования,сжигания горючих исходных
материалов и топлива, теплообмена, на стойкость футеровки и т. д.;
3) равнопрочность элементов футеровки; 4) наличие температурных
швов для предотвращения разрушения футеровки при разогреве;
5) недопустимость укладки футеровочных изделий в перевязку при
различных значениях линейного расширения при нагревании.
Основным документом, по которому производят выполнение футе-
футеровки печи, служат рабочие чертежи. В них приводятся общий вид
футеровки, поперечные и продольные разрезы со всеми необходимыми
размерами.
На чертежах футеровки печи указывается, с чего начинается
футеровка, во сколько рядов и при каком положении кирпича она
укладывается, какие огнеупорные, теплоизоляционные и облицо-
облицовочные материалы используются для нее. Указываются также тол-
229

ЩиНа койструктивых элементов футеровки. Если имеются проёмы,
то в чертеже положение проема дано по длине и высоте стены, а также
приведены его размеры.
Для футеровки свода указываются положение центра окружности
свода и ее радиус, а также порядок чередования в своде прямых
и клиновых кирпичей.
На чертежах цилиндрических стен приведены диаметр, толщина
и высота кольцевой стены. Если конструктивный элемент кониче-
конический, то даются нижний и верхний диаметры, высота и толщина
конической части.
При толстых стенах, образованных несколькими кольцами кир-
кирпича, даются чертежи отдельных рядов. На этих чертежах при-
приводятся указания, из каких кирпичей выкладывать первое, второе
и следующие кольца в четном ряду и из каких — в нечетном, чтобы
правильно перевязать кольцевые швы.
Кроме того, на чертежах футеровки обязательно показывают
местоположение, конструкцию и размер (ширина) температурных
швов, а также дают указания о заполнении швов выгорающим мате-в
риалом, асбестовым шнуром, глиной и т. д.
При футеровке печи фасонным кирпичом необходимо выполнить
чертеж раскладки — фасонин.
В тех случаях, когда нужно сложить наклонную стену, на черте-
чертежах указывается угол наклона в градусах или размеры наклонной
стены.
На чертежах отражаются все необходимые указания, которые
позволяют в точности обеспечить заданные геометрические формы
с соблюдением заданных размеров и применять те материалы, кото-
которые приняты в рабочих чертежах печи.
Конструирование элементов футеровки. Основные кон-
конструктивные элементы печей, которые подле-
подлежат футеровке. Большинство печей имеет некоторые общие
конструктивные элементы, например подину и выстилку, стены,
арки, своды и т. д. Рассмотрим эти общие конструктивные эле-
элементы.
Подины и выстилки. Конструктивный элемент, ограничивающий
рабочее пространство снизу, называется подиной. На подину воздей-
воздействует высокая температура, масса материала и шлака. Подины
обычно футеруют из высоко-, огне- и кислотоупорных материалов.
Нижняя часть футеровки любой печи и борова, которая выстилается
кирпичом, называется выстилкой. Выстилку футеруют независимо
от условий работы печи менее огнеупорным материалом большим
швом. Подины и выстилки бывают одно- (однослойными) или много-
многорядными (многослойными).
Стенки. Конструктивный элемент, ограждающий рабочее про-
пространство печи, топки, борова и каналов с боков, называется стен-
стенками. Стены бывают прямыми, закругленными и кольцевыми, гори-
горизонтальными, вертикальными и наклонными. Их футеруют различ-
различными по толщине огне- и кислотоупорными материалами,
а наружные — теплоизоляционными.
230

Арки предназначены для перекрытия проемов в стенках. Они
могут быть плоскими, полуциркульными и лучковыми. Арки, на-
направленные выпуклостью вниз, называются обратными.
Своды. Рабочее пространство печи между двумя стенками пере-
перекрывается сверху сводом. Своды могут быть плоскими, полуциркуль-
полуциркульными и лучковыми (распорными). Разновидностью свода является
купол, перекрывающий сверху печь цилиндрической формы.
Купола бывают полуциркульными и лучковыми. Расстояние
между стенками, на которые опирается свод, называется пролетом.
При пролетах более 1 м плоские своды, набираемые из кирпича,
подвешивают, и они называются подвесными. В настоящее время
своды до 3 м выполняют из жаростойкого бетона, не требующими
подвески. Своды бывают одно- и многослойными. Каждый слой
называется окатом.
Пяты. Кирпичи или фасонные камни, которые воспринимают
нагрузку арки или свода и передают их на стены, называются пя-
пятами.
Рабочие окна. Проемы в стенках печей, через которые загружают
и выгружают материалы и изделия, называются рабочими окнами.
Кроме рабочих окон, в стенах печей устраиваются отверстия для
установки горелки или форсунки, а также лазы, гляделки для под-
подсветки реакционной камеры и установки приборов КИП и автома-
автоматики. На своде печи устраиваются отверстия для электродов и за-
загрузочных течек, отвода газов из печи.
Рекуператоры. Установки, предназначенные для использова-
использования тепла отходящих газов от реакционной камеры передачей его
через стенку воздуха, поступающего в горелку, форсунку или другие
теплоиспользующие установки, называются рекуператорами.
Рекуператоры бывают металлические и керамические. Керами-
Керамические разделяются на два вида: с многоканальными камнями и
с шамотными или шамотно-карборундовыми трубками.
Керамические камни кроме внутренних каналов на наружной
поверхности имеют буртики для получения канала.
Дымовые каналы и воздухопроводы. Каналы, по которым транс-
транспортируются отходящие газы от печи или нагретый воздух от реку-
рекуператоров, могут быть как внутри печи, так и вне ее.
Подземный канал для транспортирования отходящих газов —
боров, надземный канал — дымопровод и наружный воздухопровод
подлежат футеровке. Дымо- и воздухопроводы работают под давле-
давлением и поэтому для создания газоплотности заключаются в метал-
металлический кожух.
Футеровка стен. Каждая грань кирпича или его сторона
имеет определенное наименование. Самая большая сторона назы-
называется плашкой, средняя — ребром, самая малая — торцом. Кирпич
можно укладывать на плашку, ребро или торец. Футеровку стен
в основном ведут на плашку (рис. 80).
При кладке стен в плашку различают два положения кирпича
в ряду. Когда длинная сторона, т. е. ребро, направлена вдоль стены
по ее лицевой поверхности, кладку называют ложковой. Если длин-
231

Рис. 80. Положение кирпича в футе-
футеровке:
а — кладка на плашку; б — кладка
на ребро; в — кладка на торец; / —
тычковый ряд; 2 — лотковый ряд.
ная сторона кирпича направлена поперек стены, т. е. когда на
лицевую поверхность стены выходит торец кирпича, кладку назы-
называют тычковой.
Футеровку прямых стен толщиной в полкирпича выполняют
ложковой кладкой с перевязкой вертикальных швов. Расстояние
между швами в смежных по высоте рядах равняется половине кир-
кирпича. Чтобы перевязать швы, необходимо нечетные ряды начинать
с укладкой целого кирпича, а четные с половинки, или наоборот.
Стены толщиной в один кирпич выкладываются тычковыми ря-
рядами. Расстояние между вертикальными швами в смежных по высоте
рядах составляет четверть кирпича. Для перевязки рядов в начале
четных рядов укладывают трехчетверки. Стены толщиной в полтора
кирпича выкладывают из тычковых и ложковых рядов. Перевязка
вертикального продольного шва осуществляется взаимной заменой
ложкового и тычкового ряда в четных рядах кладки относительно
нечетных. При этом перевязываются и вертикальные поперечные
швы за счет укладки в начало тычкового ряда двух трехчетверток.
Стены толщиной в два кирпича выкладывают так: четный ряд — из
тычковых кирпичей, а нечетные — из ложковых по краям и тычковых
по середине. При такой футеровке перевязываются продольные
вертикальные швы; перевязка поперечных вертикальных швов до-
достигается укладкой трехчетверток в начале ложкового и тычкового
рядов.
Рекомендуемая толщина футеровки стен приведена в табл. 30.
Устройство проемов в стенах. Проемы в стенах
перекрывают плоскими или цилиндрическими арками, как показано
на рис. 81.
Рассмотрим устройство проемов с напуском кирпичей. Напуском
кирпичей перекрывают проемы пролетом до 450 мм. Пролеты менее
210 мм перекрывают напуском одного кирпича, проемы с большим
пролетом перекрывают напуском двух кирпичей. Длина напуска
кирпича не должна превышать половину его длины, т. е. центр
тяжести напускаемого кирпича должен находиться над лежащим
232

ТАБЛИЦА 30. Рекочендуемые толщины футеровки стен
Высота
стены,
м
VV/Л /Л
Температура
в к-амерах
горения,
°С
1200
1200
1200
1200
Рабочий огнеупорный слой
материал
Шамот класса
«Б»
То же
»
Шамот класса
«А»
толщина,
мм
113
230
230
230—348
Наружный огнеупорный
слой
материал
Диатомит или
пеношамот
То же
»
толщина,
мм
230
113—230
230
230
под ним кирпичом. Иначе напускаемая часть перевесит и кирпич
опрокинется. Если перекрытие можно произвести не одним рядом
кладки, а несколькими, то в каждом ряду напускают кирпичи до тех
пор, пока не перекроется весь проем.
Футеровка сводов. Существует два способа футеровки
сводов — кольцами и вперевязку. В своде, выполненном кольцами,
каждый кирпич зажат двумя соседними кирпичами. При разгаре
свода, т. е. при уменьшении толщины в результате оплавления или
отколов, достаточно одному кирпичу провиснуть и упасть, чтобы
упало еще несколько кирпичей или все кольцо, и свод необходимо
будет ремонтировать.
В своде, выполненном вперевязку, каждый кирпич зажат четырь-
четырьмя соседними кирпичами. И если один из этих четырех соседних
кирпичей в результате разгара ослабнет, провиснет и упадет, то
оставшиеся кирпичи будут удерживаться давлением на них еще
трех кирпичей. Но если условия для разгара свода не будут устра-
устранены, то кирпичи будут выпадать один за другим на большом участке
и потребуется остановка печи для производства ремонта.
От величины пролета свода зависит и его толщина. При пролете
1—1,5 м толщина свода — в пол кирпича; при пролете 1,5—2,5 м —
в один кирпич. При пролете 3,0—5,0 м применяют кирпичи длиной
250—300 мм либо выкладывают свод в несколько скатов без пере-
перевязки между собой. Конструкция сводов показана на рис. 82.
Рекомендуемые толщины прочного свода приведены в табл. 31.
I
1 v I
1
1 1
1 1
1 1
I I
т
1
1
1 1
1 II 1
1 1 г 1—, l_T._L j „
I ' |
1 i i1 ч~
т
|—
L-p-
Ч-
L
Рис. 81. Перекрытие проемов в стенах:
а — напуском двух кирпичей: б — напуском кирпичей из трех рядов; в — притеской при-
примыкающих кирпичей по шаблону; г — обрамление круглого отверстия арками.
233

—
-
-
-
—
-
-
-
-
-
Ф)
/У/У/.
штшщ
i'i ni
l.l.i. 1.1
Рис. 82. Кладка сводов:
а — вперевязку; б — кольцами.
Не рекомендуется без особых оснований предусматривать в печах
своды с центральным углом меньше 60 °С.
Свод выкладывается из клиновых кирпичей. Если требуется
выложить заданный свод из двух марок клинового кирпича, то,
пользуясь формулами Гросса, можно определить необходимое число
клиновых кирпичей:
, - Rb2]. м 2ла [Rbx - (R + Н) ах]
— <hb%)
где п — число кирпичей первого клина; т — число кирпичей второго клина; а —
центральный угол свода, град; R — внутренний радиус свода, мм; Я — толщина
свода, мм; аг — внутренняя толщина первого клина с учетом шва, мм; а2 — вну-
внутренняя толщина второго клина с учетом шва, мм; 6Х — наружная толщина первого
клина с учетом шва, мм; Ь2 — наружная толщина второго клина с учетом шва, мм.
Этими же формулами
1еАЧе£ИЦА 31' РекомендУемые толщины свода можно пользоваться и для
расчета кольцевой кладки
шахтных, вращающихся
печей, исключая из них
а/360.
Футеровку купольного
свода производят из ку-
купольного кирпича, имею-
имеющего форму усеченной че-
четырехгранной пирамиды.
Ведут ее кольцами с пе-
234
Слой
Огнеупор-
Огнеупорный
Изоляци-
Изоляционный
Ширина пролета, м
<1 м
116—230
65—113
1 — 3,5 м
230—250
65-230
>3,5 м
250—300
113—230

ревязкой вертикальных Швов; й смежных рядах толщина Швов до-
достигает 2 мм. Швы между рядами должны быть направлены строго
по радиусу. Одновременно с огнеупорной футеровкой купола про-
производят теплоизоляцию из диатомового кирпича на плашку на
том же растворе, на котором выполняют огнеупорную футеровку.
Футеровку арок выполняют по тем же правилам, что и футеровку
сводов. Конструкции подвесных сводов приведены на рис. 83.
Разгрузочный свод. Для возможно полного освобо-
освобождения огневого свода от всякой добавочной нагрузки вышележащих
частей печи может быть рекомендован дополнительный несущий свод
(рис. 84), защищенный снизу огневым сводом. Между этими сводами
оставляется зазор не менее 30 мм, совершенно свободный от кусков
кирпича или раствора, т. е. обеспечивающий полную свободу подъема
нижнего свода при расширении. Такое устройство способствует
длительной работе свода, разделяя его функции на две части: на-
нагрузка передается на защищенный от огня свод, а защита от нагрева
возлагается на свод, освобожденный от всякой внешней нагрузки.
Ремонт свода также совершается в более благоприятных условиях,
поскольку не затрагивает лежащих выше частей футеровки.
Устройство отверстий в сводах. Отверстия
в сводах могут иметь прямоугольную, круглую или другие формы.
Прямоугольные отверстия в сводах при ширине их не более 200 мм
выполняются с кладкой двух кирпичей (рис. 85). В кольцах свода
для них вытесывается пята в виде паза. При ширине более 200 мм
по краям отверстия выкладывается по арочке, пяты для которых
вытесываются в соседних кольцах.
Круглые отверстия в сводах делаются из колец, набранных
из клинового кирпича, отесанного по шаблону. В своде, выкладыва-
выкладываемом вперевязку, вытесывается кольцевая пята. При этом в тех
местах, где затеска уменьшает толщину кирпича более чем наполо-
наполовину, кирпичи, обращенные к кольцу, укладываются не плашкой,
а ребром. Для образования отверстия в своде оставляется незало-
незаложенный кирпичами участок футеровки, в который устанавливается
опалубка по форме отверстия, а пространство между опалубкой
и кирпичами заполняется огнеупорной массой или жароупорным
бетоном.
Футеровка из глиняного и диатомового
кирпичей выполняется с большей толщиной швов, чем из
огнеупорных кирпичей. В футеровке из глиняного кирпича толщина
швов на цементном и сложном растворе задается равной 8—12 мм,
а на растворе из красной глины — 5 мм. Футеровку из диатомового
кирпича ведут со швом 4—5 мм на огнеупорном растворе и 7—8 мм
на цементном диатомовом. Футеровку из диатомового кирпича ведут
обычно на том же растворе, на котором возводят одновременно
огнеупорную футеровку или футеровку из глиняного кирпича.
При футеровке глиняным кирпичом работают с густым, жестким
раствором и следят за тем, чтобы не допустить уменьшения шва
в ряду, так как это нарушит горизонтальность рядов кирпичной
футеровки.
235

a
^230
А ШАШАШ.
25
300
Рис. 83. Подвесные своды:
а — секционный креплением кирпичей; б — с индивидуальной подвеской; в — комбиниро-
комбинированные; / - фасонный кирпич; 2 — конструкция подвески.

Рис. 84. Обрамление отверстий в сводах:
а __ двумя кирпичами; б — двумя арками; в — кольцами; г — жароупорным бетоном; / —
барабан опалубки; 2 — жароупорный бетон.
Цилиндрическая футеровка. Цилиндрические
конструкции рабочих и топочных камер дымо- и воздухопроводов
обычно футеруют в один или два оката толщиной от полкирпича
до двух кирпичей. Расчет количества клиновых и прямых кирпичей
ведут так же, как и при кладке сводов и арок, только за центральный
угол принимают 360°.
Футеровку производят плотным шамотным, шамотом-легковесом,
хромомагнезитовым кирпичем и т. д. Между кирпичной футеровкой
и кожухом обычно укладывается асбестовый лист.
При производстве футеровочных работ в два оката первоначально
выкладывают внизу наружный окат и по нему — внутренний. При
футеровке верхней части внутренний окат опережает наружный.
Поверхность внутреннего оката служит опалубкой для наружного.
Величины радиуса R и стрелы сводов / для пролетов В, кратных
размеру кирпича, приведены в табл. 32.
Внешнее оформление футеровки печи. На-
Наружная поверхность футеровки должна удовлетворять следующим
требованиям: 1) быть достаточно прочной, чтобы противостоять раз-
различным случайным механическим воздействиям; 2) придавать футе-
футеровке непроницаемость против засоса воздуха и т. п. В некоторых
случаях имеет значение внешний вид футеровки. Всем этим требова-
требованиям лучше всего удовлетворяет заключение футеровки в метал-
металлический кожух.
Поверхность обычной кирпичной футеровки может считаться
достаточно прочной, но не удовлетворяет другим требованиям. Для
повышения ее качества применяется ряд
приемов, в частности расшивка швов цемен-
цементным раствором и др. Для расшивки швов
кирпич кладется с оставлением края шва без
заполнения раствором. После окончания фу-
футеровки производится дополнительная за-
заделка шва раствором при помощи особой
лопаточки. В результате получается высту-
Рис. 85. Разгрузочный свод.

ТАБЛИЦА
в
348
464
580
696
812
928
1044
1160
1276
1392
1508
1624
1740
1856
1972
2088
2204
2320
2436
2552
2668
2784
2900
3016
3132
32. Пролеты £,
60
R
348
464
580
696
812
928
1044
1160
1276
1392
1508
1624
1740
1856
1972
2088
2204
2320
2436
2552
2668
2784
2900
3016
3132
f
47
62
78
93
109
124
140
155
171
187
202
218
233
249
264
280
295
311
326
342
358
373
389
404
420
радкусы
Я и стрелы / сводов (в мм)
Центральный угол ввода,
90
R
246
328
410
492
574
656
738
820
902
984
1065
1150
1230
1310
1395
1475
1560
1640
1720
1805
1885
1970
2050
2130
2215
f
72
96
120
144
168
192
216
240
264
288
310
338
360
382
409
431
458
480
502
529
551
578
600
622
649
град
120
R
201
268
355
402
469
535
602
669
736
803
870
937
1005
1070
1140
1205
1270
1340
1405
1475
1540
1605
1675
1740
1805
f
100
134
167
201
234
267
301
334
368
401
435
468
502
535
570
602
635
670
703
737
770
803
837
870
903
* 180
R
174
232
290
348
406
464
522
580
638
696
754
812
870
928
986
1044
1102
1160
1218
1276
1334
1392
1450
1508
1566
f
174
232
290
348
406
464
522
580
638
696
754
812
870
928
986
1044
1102 .
1160
1218
1276
1334
1392
1450
1508
1566
пающий из шва валик раствора с правильными очертаниями, кото-
который скрывает неровность шва и неправильность кирпича и при-
придает футеровке отчетливый и аккуратный вид и эстетическую при-
привлекательность.
Для такой заделки применяется жирный цементный раствор,
дающий более гладкую поверхность валика. Перед накладкой рас-
расшивки необходимо обрабатываемые участки стены смачивать водой,
чтобы вновь наносимый раствор лучше приставал к кирпичу и ранее
положенному раствору. При наложении нового раствора на сухую
футеровку последняя вытягивает из раствора воду и сразу умень-
уменьшает его пластичность и способность прилипать.
Раствор, применяемый для расшивки швов, обычно состоит из
1 части цемента, 1 части извести и 0,5 части мелкого песка. Этот
жирный цементный раствор придает швам, кроме того, неразмыва^
емость и непроницаемость для воздуха. Правда, непроницаемость
распространяется только на шов, так как поверхность кирпича
благодаря своей пористости все же пропускает воздух.
Для достижения эстетичного внешнего вида на фасадную поверх-
поверхность футеровки подбирается кирпич одного цвета, однообразных
238

размеров и правильной формы, кладка ведется с соблюдением пра-
правильной перевязки и прямолинейности горизонтальных швов. Иногда
для расшивки швов к раствору добавляется какая-либо краска.
После отделки поверхность стены обмывается слабым раствором
соляной кислоты @,1% и крепче). Такая промывка очищает стену
от всякого рода налетов и пятен и придает ей более однородный вид.
Промывку лучше осуществлять после окончания сушки футеровки,
так как после окончания сушки иногда снова выступают пятна.
Внешняя поверхность футеровки влияет на отдачу теплоты
в окружающее пространство. Имеются указания, что окраска футе-
футеровки в серебристый цвет алюминиевым порошком дает ощутимую
экономию теплоты за счет уменьшения лучеиспусканием.
Перевязка швов. Швом в футеровке, выполненным из
огнеупорного кирпича, называется место примыкания одного кирпича
к другому, заполненное раствором. Чем тоньше шов и чем лучше он
заполнен раствором, тем прочней и долговечней футеровка.
В зависимости от толщины швов, т. е. в зависимости от тщатель-
тщательности выполнения футеровки, ее разделяют на следующие категории:
Толщина Толщина
шва, мм шва, мм
Особо тщательная ^1 Грубая <3
Обыкновенная ^2 Вне категории 0,5
По положению в пространстве швы разделяют на горизонтальные
и вертикальные. По положению относительно продольной оси кон-
конструктивного элемента, например стен, вертикальные швы разделяют
па поперечные и продольные.
Для предупреждения расслоения футеровки и повышения ее
герметичности вертикальные швы перевязывают. Горизонтальные
швы, как правило, не перевязывают. Поперечные швы перевязывают
тллько по высоте кирпичами следующего ряда.
Температурные швы, т. е. устройства в футеровке,
позволяющие отдельным ее частям двигаться друг относительно
друга (движение вызвано расширением футеровки при нагревании),
предназначены для обеспечения сохранности футеровки от выпучи-
выпучивания и разрушения. Они принадлежат к числу таких соединений,
которые нередко причиняют много затруднений и неприятностей,
так как необходим прорез определенной ширины в футеровке, что
позволяет раскаленным газам непосредственно действовать на не-
неогнеупорную часть футеровки. Наиболее эффективно в этом случае
сделать уступ в огнеупорной футеровке и закрыть доступ к неогне-
неогнеупорной части или же ввязать в состав ее полосу огнеупора.
Более сильному воздействию пламени подвергается обычно сред-
средняя часть поверхности футеровки камеры горения. В этом отношении
углы находятся в несколько лучших условиях. Кроме того, соотно-
соотношение между передачей теплоты футеровке подводом ее наружу для
углов благоприятнее, чем для средних частей камеры горения.
В результате этого футеровка в углах имеет более низкую темпера-
температуру. Поэтому целесообразно помещать температурные швы в углах
рабочей и топочной камер.
239

Температурные швы создают закладкой в швы футеровки вы-
выгорающих прокладок из деревянных досок или заполняют сжима-
сжимаемыми материалами, например глиной с асбестом или асбестовым
шнуром. Температурные швы не должны ослаблять прочности футе-
футеровки и пропускать воздух и газы.
Температурные швы выполняют змейкой или отрезными. Шов
змейкой представляет собой ломаную линию, получающуюся в ре-
результате смещения в каждом ряду вертикальных поперечных швов
относительно шва, лежащего ниже ряда. Такие швы обычно устра-
устраивают в середине стен. Отрезные швы устраивают, как правило,
в конце стен, сводов и других конструктивных элементов в виде пря-
прямой линии. Если стена выполняется в несколько слоев, то темпера-
температурные швы устраивают вразбежку, т. е. со смещением по толщине,
чтобы не было сквозной щели через всю стену.
Выбор шва зависит от конструкции печи, материала футеровки
и воздействующей на нее температуры.
Размер шва определяется с учетом коэффициента линейного
расширения футеровки. Типовые конструкции температурных швов
приведены на рис. 86.
Средние величины температурных швов в зависимости от мате-
материала футеровки следующие:
Материал Шов, Материал Шов,
мм/м мм/м
длины длины
Тальк 8—10 Шамот 5—6
Хромомагнезит 12—14 Магнезит 12—14
Динас 12
В сводах температурные швы устраивают в местах их примыка-
примыкания к торцевым стенам. При этом обеспечивается возможность
беспрепятственного увеличения объема свода и стен.-В длинных сво-
сводах, протяженностью более 5 м, температурные швы устраивают
по середине свода. Швы делают разрезными, и сверху такие швы
перекладывают кирпичами, чтобы предупредить подсос воздуха
в печь или выбивание из нее пламени газов.
Расчет прочности футеровки. При необходимости расчет прочно-
прочности футеровки проводят по несущей способности (прочности и устой-
устойчивости), а также по образованию или раскрытию швов для кон-
конструкций, в которых по условиям эксплуатации образование трещин
и раскрытие швов не допускается или их раскрытие должно быть
ограничено.
Расчет по несущей способности проводят на воздействие только
расчетных нагрузок, а расчет по образованию трещин или раскрытию
швов — на воздействие расчетных или нормативных нагрузок.
Расчет прочности футеровки по несущей
способности при температуре до 50 °С. Норма-
Нормативными характеристиками футеровки, определяющими ее прочность,
является марка кирпича и марка раствора. Под наименованием марки
имеется в виду временное сопротивление сжатию, выраженное
в паскалях.
240

А-А
Рис. 86. Конструкции температурных швов:
а — в радиальных стенах; б — в прямых стенах; в, г — в сводах; 5 — в углах стен; е —
в прямых стенах; ж — в газопроводах и вращающихся печах; / — температурный шов;
2 — кожух; 3 — кладка из красного кирпича; 4 — изоляционная кладка; 5 — огнеупорная
кладка; 6 — торцевая стена; 7 — кольцевой температурный шов.
Расчет футеровки элементов печи и топки при центральном сжа-
сжатии проводится по формуле:
Здесь R — расчетное сопротивление футеровки сжатию (табл. 33); F — пло-
площадь сечения элементов футеровки; ф — коэффициент продольного изгиба, учиты-
учитывающий снижение несущей способности сжатых элементов постоянного по длине
сечения при продольном изгибе и зависящий от гибкости элемента Я£р (для прямо-
прямоугольного сплошного сечения от Л£р) и упругой характеристики футеровки (табл. 34);
г — меньший радиус инерции сечения элементов; h — меньший размер прямоуголь-
прямоугольного сечения; Л^пр = (Л^дл/тдл) + NKp— приведенная продольная сила; Л^дл —
расчетная продольная сила от длительно действующей части нагрузки; NKp — рас-
241

ТАБЛИЦА 33. Расчетные сопротивления R сжатию кладки из кирпича
Марка
кирпича
300
250
200
150
125
100
75
50
35
Расчетные сопротивления R
, МПа
при марке раствора
200
3,9
3,6
3,2
2,6
—
—
—
—
150
3,6
3,3
3,0
2,4
2,2
2,0
—
—
—
100
3,3
3,0
2,7
2,2
2,0
1,8
1,5
—
—
75
3.0
2,8
2,5
2,0
1,9
U
1,4
1,1
0.9
50
2,8
2,5
2,2
1,8
1,7
1,5
1,3
1,0
0,8
25
2,5
2,2
1,8
1,5
1,4
1,3
1,1
0,9
0,7
10
2,2
1,9
1,6
1,3
1,2
1,0
0.9
0,7
0,6
4
1,8
1,6
1,4
1,2
1,1
0,9
0,7
0,6
0,45
при прочности
раствора
0,2 МПа
1,7
1,5
1,3
1,1
0,9
0,8
0,6
0,5
0,4
нулевой
1,5
1,3
1,0
0,8
0,7
Г0,6
0,5
0,35
0,25
ТАБЛИЦА 34. Коэффициент продольного изгиба <р
*пр
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14,0
17.5
21.0
24,5
28,0
31,5
35,0
38,5
42,0
45,5
ф
1,00
0,98
0,96
0,94
0,92
0,90
0,88
0,86
0,84
0,81
\iP
14
15
16
17
20
22
24
26
28
30
*пр
49,0
52,5
56.0
68,0
70,0
76,0
83,0
90,0
97,0
104,0
ф
0,79
0,77
0,74
0,70
0,65
0,61
0,56
0,52
0,49
0,45
четная продольная сила от кратковременно действующей части нагрузки; тдл —
коэффициент (табл. 35), учитывающий влияние длительного действия нагрузки на
несущую способность элементов толщиной менее 30 см или с радиусом инерции сече-
сечения менее 8,7 см (для элементов толщиной 30 см и более или с радиусом сечения
8,7 см и более коэффициент тдл принимается равным единице).
ТАБЛИЦА 35. Коэффициент
8
10
12
14
16
18
20
22
24
28
35
42
49
56
63
70
76
83
тдл
1,00
0,96
0,92
0,88
0,84
0,80
0,75
0,71
0,67
26
28
30
32
34
36
38
40
42
А/
90
97
104
111
118
125
132
139
146
тДЛ
* 0,63
0,59
0,55
' 0,51
* 0,47
£ 0,43
W 0,39
' 0,34
:v 0,29
242

Для футеровки из кирпича на тяжелых растворах должны приме-
примениться следующие значения упругой характеристики:
Упругая характеристика а
Марка р-аствора
Гибкость элемента:
1000
200—25
750
10
500
4
,а I* i/Tooo" / i/Tooo". -г .г i/Tooo" / i/Tooo~
ЛпР - Л у —jt = ТГ ~Г"' *пр = Л ^ —— = — У "Г"
где /— 1,5//—расчетная высота элемента конструкции; // — расстояние между
горизонтальными опорами.
Расчет внецентренно сжатых элементов
футеровки. Расчет проводят по формуле:
Для прямоугольного сечения:
; <рх = ф{1 - (в/Л) [0,006 (//Лэ) -0,2]}
Здесь jV — сжимающая сила; h — высота сечения (в направлении действия
изгибающего момента); Fc — площадь сжатой части сечения, которую определяют
в предположении прямоугольной эпюры напряжения сжатия (центр тяжести сжа-
сжатой части сечения совпадает с точкой приложения внешней сжимающей силы N
и положения границы площади; определяется из условия равенства нулю стати-
статического момента этой площади относительно ее центра тяжести); е — эксцентри-
эксцентриситет продольной силы относительно центра тяжести сечения (/i3 = 3,5г, где г —
радиус инерции сечения в направлении действия изгибающего момента, для прямо-
прямоугольного сечения hd = h)\ со — коэффициент, равный для сечения произвольной
формы со = 1 -j- е/Cу) ^ 1,25 и для прямоугольных сечений со = 1 -f e/(l ,5/i) ^ 1,25;
у — расстояние от центра тяжести сечения до края сечения в сторону эксцентри-
эксцентриситета.
Расчет элементов футеровки на прочность
при осевом растяжении проводят по формуле:
где N — растягивающая сила; /?р — расчетное сопротивление футеровки растяже-
растяжению по перевязанному сечению, значение которого при растворе марки 50—100
следует принимать равным 0,16 МПа.
Проектирование футеровки, работающей на центральное растя-
растяжение по неперевязанным сечениям, не допускается.
Расчет элементов футеровки на срез осу-
осуществляют по формуле:
Q<(RcP+0,8/o0)F
Здесь Q — расчетная поперечная сила; /?Ср — расчетное сопротивление футе-
футеровки срезу, значение которого по неперевязанному сечению при растворе марки 50
и выше следует принимать равным 0,16 МПа; а0 — среднее напряжение сжатия при
наименьшей расчетной продольной нагрузке, подсчитанное с коэффициентом пере-
перегрузки 0,9; F — расчетная площадь сечения.
Расчетное сопротивление футеровки срезу по перевязанному
сечению при разрушении кладки по кирпичу следует принимать
равным 8 (при кирпиче марки 150) и ЮМПа (при кирпиче марки 200),
а коэффициент трения по шву футеровки / — равным 0,7.
243

Расчет сечений футеровки при местном
сжатии (смяти и), если нагрузка распределяется на части
площади, следует вести по формуле:
N < \iaRCMFCM
где N — величина местной нагрузки; \i — коэффициент полноты эпюры давления
от местной нагрузки (при равномерном распределении давления \i = 1; при тре-
треугольной эпюре давления \i = 0,5); а = 1,5-*-0,5.
Расчетное сопротивление футеровки RCM при местном сжатии
(смятии):
Здесь F — расчетная площадь сечения в зависимости от местной нагрузки;
FCM — площадь смятия или сжатия, на которую передается нагрузка; уг — коэф-
коэффициент, зависящий от материала футеровки и места приложения нагрузки (при-
(принимается равным 1,5—2,0).
Расчет элементов футеровки на изгиб сле-
следует проводить по формуле:
где М — расчетный изгибающий момент; /?р. и — расчетное сопротивление футе-
футеровки растяжению при изгибе по перевязанному сечению (табл. 36); W — момент
сопротивления сечения футеровки на упругость.
Проектирование элементов футеровки, работающих на изгиб
по неперевязанному сечению, не допускается*
Расчет элементов футеровки на попереч-
поперечную силу при изгибе следует проводить по формуле:
Здесь Q — расчетная поперечная сила; Rrn — расчетное сопротивление кладки
главным растягивающим напряжениям при изгибе (табл. 36); b — ширина сечения;
z — плечо внутренней пары сил (для прямоугольного сечения z = 2/3).
Расчет устойчивости футеровки. Футеровку
печей, выполненных из кирпичей, и свободно стоящие стены, име-
ТАБЛИЦА 36. Расчетные сопротивления футеровки из кирпича правильной
формы осевому растяжению /?р, растяжению при изгибе /?р и, срезу /?ср
и главным растягивающим напряжениям при изгибе RTR при расчете футеровки
по перевязанному сечению, проходящему по кирпичу
Вид напряженного
состояния
Расчетное сопротивление (в МПа) при марке кирпича
20,0 15,0 10,0 7,5
3,5 2,5 1,5 1,0
Осевое растяжение Rp
Растяжение при изгибе #р.и
и главные растягивающие на-
напряжения /?гл
Срез #Ср
2,5
4,0
10,0
2,0
3,0
8,0
1,8
2,5
6,5
1,3
2,0
5,5
1,0
1,6
4,0
0,8
1,2
3,0
0,6
1,0
2,0
0,5
0,7
1,4
0,3
0,5
0,9
244

ющие прямоугольную форму и значительную высоту, проверяют на
допустимые отношения высоты стен и столбов к их толщинам:
р = Я/Л
где Н — высота футеровки; h — толщина стены или меньшая сторона прямоуголь-
прямоугольного сечения столба.
При свободной длине стены I менее 2,5# величина h не должна
превышать значений, приведенных ниже:
Марки раствора 50 и выше 25 10 4 и ниже
Р 25 22 20 —
Для стен и столбов сложного сечения вместо h принимается
условная толщина /i' = 3,5г (г = y^l//7). Для столбов круглого
и многоугольного сечения, вписанного в окружность, W = 0,85d
(d—диаметр сечения столба).
При высоте футеровки Н больше свободной длины L отноше-
отношение L/h не должно превышать значений |3 = H/h.
Предельные отношения |3 для стен и перегородок умножают
на коэффициент k, если условия отличаются от вышеприведенных:
Характеристика стен Поправочный
и перегородок коэффициент
Стены и перегородки, не несущие нагрузки, при тол-
толщине
>25 см 1,2
<15 см 1,6
Перегородки с проемами 0,9
При свободной длине стен между примыкающими по- 0,9
перечными стенами более 2,5 Н
То же, более 3,5 Н и для нераскрепленных в верти- 0,8
кальных сечениях стен
Предельные отношения E для столбов принимают следующие:
Толщина столбов, см >90 70—89 50—69 <50
Р 0,75 0,70 0,65 0,60
Расчет устойчивости цилиндрических фу-
футе р о в о к. Футеровку чзчей цилиндрической формы с металличе-
металлическим кожухом следуем проверять на местную устойчивость. При
расчете таких футеровок определяют напряжения в нижнем наиболее
напряженном сечении от собственной массы футеровки по формуле:
где Оф — напряжение футеровки; у — объемная масса футеровки; И — высота
футеровки.
Вычисленные напряжения в горизонтальном сечении футеровки
должны удовлетворять условию устойчивости:
Оф < £оЛ/A6г)
где £0 — а%н — начальный модуль упругости футеровки при сжатии; а — упругая
характеристика кладки; RH = 2R — нормативное сопротивление кладки сжатию;
h — высота сечения вертикальной стенки цилиндрической футеровки; г — средний
радиус горизонтального сечения футеровки.
Расчет элементов футеровки по раскры-
раскрытию швов при обычной температуре (до 20 °С).
245

Если по условиям эксплуатации печи раскрытие швов футеровки не
допускается, то футеровку необходимо проверить на раскрытие швов.
Расчет элементов футеровки на раскрытие швов кладки проводят
на воздействие расчетных нагрузок по формуле:
mTpflp.HF __ ттр/?р. и^
Fe/W ~~ [F(h-y)e/I)-\
Здесь N — расчетная продольная сила; ттр — коэффициент условий работы
кладки по раскрытию швов кладки (принимается равным 1,5—3); #р# и—сопро-
и—сопротивление кладки на растяжение при изгибе; у и h — расстояния от центра тяжести
сечения до края сечения; W — момент сопротивления кладки при упругой ее ра-
работе; / — момент инерции сечения.
Расчет футеровки печи и отдельно стоя-
стоящей топки на воздействие высокой темпе-
температуры и внешней нагрузки. При нагревании футе-
футеровки печи с внутренней стороны выше 50 °С ее расчет по несущей
способности (прочности и устойчивости) можно проводить по тем же
формулам, по которым осуществляется расчет ненагретой футе-
футеровки, однако с учетом изменения физико-механических характе-
характеристик ее кладки (прочности, модуля упругости и т. д.) при нагре-
нагревании. Изменения этих характеристик в зависимости от температуры
устанавливают на основании экспериментальных данных. Расчет
футеровки, нагреваемой с внутренней стороны, на раскрытие швов
кладки не производят, так как футеровка практически не может
работать без раскрытия швов в растянутой зоне из-за возникнове-
возникновения температурного перепада по толщине.
Конструирование кожухов и каркасов печей
Для создания надежной герметичности, необходимой жесткости
и прочности печь заключается в металлический кожух, а прямо-
прямоугольные конструкции — дополнительно в металлический каркас.
Кожух. Если назначением кожуха является только герметизация
печи, то его достаточно выполнить сварным из тонкого стального
листового материала; если кожухом воспринимаются силовые на-
нагрузки от футеровки и получаемого теплоносителя, то его необхо-
необходимо выполнять как несущую конструкцию. Даже самые высокие
давления газов, которые могут быть в печи, не должны сильно де-
деформировать кожух.
Расчет температурных напряжений в си-
системе кожух—футеровка. При определении темпе-
температурных напряжений в кожухе и футеровке печи, работающей
при высоких и повышенных температурах, можно пользоваться ме-
методом, изложенным ниже.
Определение температурных напряжений растяжения в кожухе
проводится по формуле:
ак * тЕк (афЩ — ак) A — I)
Здесь ак — напряжение в кожухе; т — коэффициент перегрева, равный 1,1;
аф — коэффициент температурного расширения футеровки, соответствующий тем-
246

пературе ее внутренней поверхности; Л/ф — приращение температуры внутренней
поверхности футеровки относительно ее первоначального состояния; ак — коэф-
коэффициент температурного расширения кожуха; Ек — модуль упругости материала
кожуха в нагретом состоянии; £ = xlh — средняя относительная высота сжатия
зоны футеровки; х — высота сжатой зоны по толщине футеровки, считая от ее вну-
внутренней поверхности; h — толщина футеровки.
Относительная высота £ сжатой зоны футеровки вычисляется
по формуле:
6 - V(a/2) + a - (а/2)
При температуре внутренней поверхности футеровки <300°С
а = Зця, а при >300 °С а = 5\ту где \х = 6к//г — коэффициент
армирования футеровки кожухом; 6К — толщина кожуха; h — тол-
толщина футеровки.
Напряжения сжатия в футеровке, нагретой с внутренней сто-
стороны до 300 °С включительно, определяются по формуле:
аф - ок$/ [Зп A — 5I; п = Ек/Еф
Здесь аф — напряжение в более нагретой (сжатой) зоне футеровки; п — отно-
отношение модуля упругости стали кожуха к модулю упругости футеровки в нагретом
состоянии; Еф — модуль упругости футеровки в нагретом состоянии.
Напряжения сжатия в футеровке, нагретой с внутренней сто-
стороны выше 300 °С:
5л 0-6I
Температурные напряжения в кожухе печи должны удовлетво-
удовлетворять условию (Гк < RKf где RK — расчетное сопротивление кожуха
печи растяжению в нагретом состоянии.
Температурные напряжения в более нагретой сжатой зоне фу-
футеровки должны удовлетворять условию стф < /?ф, где /?ф — рас-
расчетное сопротивление футеровки, сжатой в нагретом состоянии.
Для компенсации температурных деформаций допускается вво-
вводить эластичную прослойку между кожухом и футеровкой, когда
работу растянутого кожуха с напряжениями не выше значений,
определенных предыдущими формулами, невозможно обеспечить
повышением его температуры нагревания до 300 °С, за счет изоляции
кожуха или когда повышение температуры конструктивно невоз-
невозможно (например, открытый кожух или каркас). В этом случае
при расчете температурных напряжений в кожухе вместо обычного
модуля упругости кожуха Ек вводится расчетный (условный) мо-
модуль упругости кожуха ЕКш у, определяемый по формуле:
Здесь бк — толщина кожуха; 6П — толщина эластичной прослойки; Еп — мо-
модуль упругости материала прослойки в нагретом состоянии; v — коэффициент
упругости материала прослойки в нагретом состоянии, равный отношению упругих
деформаций прослойки при сжатии к ее полным деформациям; гк — радиус кожуха.
Определение толщины стенки элементов
наружного кожуха цилиндрической печи,
работающей под внутренним давлением. Тол-
247

щина стенки наружного кожуха печей, работающих под значитель-
значительным внутренним давлением, должна быть определена расчетом на
прочность при расчетном давлении и температуре.
Расчетным называется давление, при котором производится
расчет на прочность кожуха печи. Расчетное внутреннее давление Рр
принимается, как правило, равным рабочему давлению. Под рабо-
рабочим давлением в кожухе печи следует понимать максимальное
избыточное давление без учета допустимого кратковременного повы-
повышения давления во время действия предохранительного взрывного
клапана.
Расчетное давление должно исключать нежелательное постоянное
действие предохранительного взрывного клапана.
За расчетную температуру стенки наружного кожуха печи при-
принимается наибольшая температура стенки, определяемая на основе
тепловых расчетов или равная температуре среды, соприкасающейся
со стенкой. При нагреве открытым пламенем температура наружной
стенки принимается как увеличенная на 50 °С температура среды,
соприкасающейся со стенкой.
При наличии внутренней футеровки расчетную температуру
стенки принимают равной температуре поверхности футеровки,
соприкасающейся со стенкой. Допустимые напряжения адоп ма-
материала кожуха печи определяют по формуле:
д
где г) — поправочный коэффициент, учитывающий взрыво- и пожароопасность топ-
топлива (может быть принят равным 0,9); а — нормативное допускаемое напряже-
напряжение, МПа.
Цилиндрический кожух печи. Расчетная толщина стенки цилин-
цилиндрического кожуха печи, работающего под внутренним давлением,
определяется по формуле:
*с~ 2Фадоп-Рр +С
где бс — толщина стенки, м; Рр — расчетное давление, МПа; D — внутренний диа-
диаметр кожуха печи, м; ф — коэффициент прочности сварного соединения (может
быть принят равным 0,9); С — прибавка к расчетной толщине стенки кожуха печи
на коррозию, равная 2 мм.
Эллиптическое днище кожуха печи. Толщина стенки эллиптиче-
эллиптического днища кожуха печи, имеющего внутреннее давление, опреде-
определяется по формуле:
Здесь бд — толщина стенки днища, м; R — радиус кривизны в вершине днища,
равный R = D2/Dtf), для стандартных днищ (при Н = 0,25D) R = D; Н — вну-
внутренняя высота эллиптической части днища, м; Ci — дополнительная прибавка
к расчетной толщине штамповочных днищ, равная 3 мм.
Каркас. Металлический каркас предназначен для обвязки футе-
футеровки печи с целью создания необходимой прочности, а также для
крепления форсунок, горелок, восприятия возникающих усилий
в футеровке (рис. 87).
248

Каркас состоит из вертикальных стоек, пятовых балок, попереч-
поперечных и продольных связей, стягивающих боковые и торцевые стойки,
а также других деталей из стального проката для крепления кон-
конструктивных -элементов печи.
Силы, действующие на каркас печи, делятся на две группы.
Одни возникают под действием собственной массы свода и его терми-
термического расширения, т. е. распора свода, а другие в результате
термического расширения прямых стен.
Точно рассчитать силу распора свода трудно, так как приходится
учитывать расширение футеровки под влиянием высокой темпера-
температуры и необходимо исследование упругой и пластической деформации
самого свода и его пят. Для определения сил распора следует при-
принять ряд допущений, простых и в то же время достаточно хорошо
соответствующих истинному положению, чтобы они были пригод-
пригодными для всех практических целей.
Для расчетов следует принять, что кривая давления свода соот-
соответствует средней линии свода (т. е. проходит по середине толщины
его), что пяты свода неподвижны и что действительные усилия больше,
чем рассчитанные с помощью принятых допущений, и их значения
зависят от температуры в печи и увеличиваются с повышением ее.
Для расчетов вводится коэффициент /С, учитывающий эту за-
зависимость. Он имеет следующие числовые значения: до 900 °С — 2,
до 1100 °С — 2,5, до 1300 СС — 3,0, до 1500 °С — 3,5.
Термическое расширение стенки печи должно быть скомпенси-
скомпенсировано температурными швами. Задачей каркаса является направ-
направление расширения футеровки стенки печи в сторону температурных
швов. Эти усилия обеспечиваются боковыми и торцевыми стойками
и продольными связями, стягивающими их. Максимальное усилие,
которому должны противостоять продольные связи (растягивающие
Рис. 87. Установка стойки каркаса:
а — на фундамент печи; б — с заделкой нижнего конца в фундамент; в — на швеллерах; / —
стойка; 2 — поперечная верхняя связь; 3 — пятовая балка; 4 — поперечная нижняя связь.
9 Исламов М. Ш.
249

Рис. 88. Схема сил распора футеровки печй.
при первом разогреве), равно силе тре-
трения половины стенки относительно ее
основания. Даже при низком рабочем
напряжении в связях из-за чрезвычайно
малой ее площади сечения соблюдается
это правило. Поэтому рекомендуется
применять эмпирическое правило: пло-
площадь поперечного сечения продольных
связей составляет 0,5% от площади сечения футеровки (боковые
стенки и свод), которую они стягивают. Таким образом, конструк-
конструкторам печей дается свобода выбора сечения обвязки. Верхние связи
рекомендуется устанавливать над поперечными.
В углах футеровки швы мешают правильному сжатию. При
каждом последующем нагреве некоторые кирпичи выступают из
стенок в углах или же углы стенок наклоняются наружу. Продоль-
Продольные связи должны противостоять этим сдвигам стенок, поскольку
они приводят к обвалу футеровки.
Углы футеровки должны быть защищены и ужесточены. Нижние
продольные связи или балки следует пропускать только в вентили-
вентилируемые каналы.
Изгибающие моменты становятся минимальными, если продоль-
продольные связи и торцевые стойки находятся в плоскости боковых стенок
печи.
Расчет каркаса. Используя рис. 88, можно рассчитать
силы, возникающие под действием арочного свода, и ввести попра-
поправочные коэффициенты. Распорное усилие свода должно быть вос-
воспринято каркасом, причем напряжения в нем не должны превышать
предел текучести. Приближенная сила горизонтального распора
свода R может быть определена по формуле
где k — коэффициент увеличения силы R в зависимости от температуры; Р — сила
тяжести свода по длине между стойками; а — центральный угол свода, град.
Элементы стального каркаса рассчитывают по допускаемому
напряжению на разрыв, не превышающему огр = 12-105 Па.
При установке печи в сейсмичных районах увеличивают проч-
прочность каркаса на сейсмичность.
Определение конструкции пятовых балок.
Момент сопротивления пятовой балки рассчитывают по формуле:
гДе №п. б — момент сопротивления пятовой балки, см3; / — расстояние между
балками каркаса, см.
По полученному моменту сопротивления принимают конструк-
конструкцию пятовой балки (рис. 89).
250

Рис. 89. Профили пятовых балок:
а — равнополочный угольник; б — два
г — два швеллера.
равнополочных угольника; в — один швеллер
Определение конструкции боковой стойки.
Момент сопротивления боковой стойки рассчитывают по формуле:
WCT = h1h2R/[(h1+h2)aI)]
Здесь I^ct — момент сопротивления боковой стойки, см3; hx — расстояние
от нижней связи до пятовой балки, см; h2 — расстояние от пятовой балки до верх-
верхней связи, см.
По найденному моменту сопротивления принимают конструкцию
боковой стойки (рис. 90).
Определение площади сечения попереч-
поперечной связи. Площадь сечения верхней связи рассчитывают
по формуле
а нижней связи — по формуле
SK= Rh
а 6
А\
.... л
f.
~ " &?S//т*?'>'''''/*/■
Рис. 90. Профили боковых и торцевых стоек:
а — два двутавра; б -— один двутавр; в — два швеллера; г — угольник равнополочный.
9* 251

В качестве связи для жесткого каркаса выбирают угольник или
полосу.
При подборе сечений проката необходимо стремиться к примене-
применению одних профилей для различных узлов каркаса.
Конструирование фундаментов печей
Фундамент является конструктивным элементом печи, пред-
предназначенным для равномерного распределения на грунт неодинако-
неодинаковых суммарных нагрузок от массы остальных элементов, находя-
находящихся в печи исходных материалов и полученных продуктов, печной
среды и средств обеспечения печного процесса.
В зависимости от вида и характера течения термотехнологиче-
термотехнологического процесса во времени фундамент подвергается постоянно изме-
изменяющимся механическим и термическим воздействиям, которым он
должен противостоять, сохранив строительную прочность и целост-
целостность, иначе произойдет неравномерная его усадка, что приведет
к возникновению трещин в футеровке с последующим разрушением
ее в течение короткого времени.
Механическими воздействиями на фундамент являются вибрации
от механизмов, удары кузнечного молота, динамические нагрузки,
возникающие при загрузке печи, врезании корпуса, перемещении
шихты и т. д.
В связи с тем, что фундамент соприкасается с основанием подины
печи, она подвергается нагреву. Это ведет к термическому расшире-
расширению фундамента и возникновению усилий, обусловливающих обра-
образование трещин по краям фундамента вследствие расширения его
средней части. Возникающая опасность может быть сведена до
минимума, если толщина фундамента в середине меньше, чем по
краям. Рекомендуется также заменять грунт под средней частью
фундамента на утрамбованный шлак.
Максимально допустимая температура фундамента в центре
печи должна составлять примерно 480 °С, исходя из следующего
уравнения:
Гц = Го + (Твп - То)) е~1 >ш/о « 480 °С
где Гц — температура в центре фундамента; То — начальная температура фунда-
фундамента; Твп — температура внутренней поверхности рабочей камеры футеровки;
Z — толщина пода; D — ширина пода между стенами.
На фундаменте, в который заложены нижние концы каркасных
стоек, у печей со сплошным и невентилируемым основанием подин
необходимо усиление внешнего края фундамента арматурой из
расчета: на каждый квадратный метр пода требуется арматура общей
площадью 8,7 см2 для печей работающих при температурах 1200 °С
и 5,8 см2 для печей с температурой 980 °С. Для печей, площадь
пода которых около 40 м2 и более, основание пода должно быть вен-
вентилируемым.
Необходимую площадь фундамента определяют, исходя из гео-
геометрических размеров основания футеровки печи с каркасом и за-
252

щитного слоя. Полученная величина площади фундамента подлежит
последующему уточнению по удельным допустимым напряжениям
на грунт конкретного места сооружения печи.
Верхние*контуры фундамента повторяют формы основания футе-
футеровки печи с учетом дымоходов; они имеют дополнительные каналы
для обслуживания гюдв а го неточно го пространства, рельсовых путей
и механизмов и т. д.
Толщина фундамента определяется изгибающими моментами,
образующимися благодаря одновременному и противоположно на-
направленному действию грунта и фундамента с расположенными на
нем нагрузками.
К особенностям конструирования фундаментов печи необходимо
отнести следующее: 1) на один и тот же фундаментный массив нельзя
опирать печи и другие сооружения (в этом случае может произойти
различная осадка фундамента и могут появиться трещины и перекосы
в сооружениях); 2) если конструкции печи располагаются ниже
уровня грунтовых и ключевых вод, то фундамент строят так, чтобы
исключался доступ воды к футеровке путем: а) устройства вокруг
фундаментов глиняных стенок до 300 мм толщиной; б) гидроизоля-
гидроизоляцией фундамента; в) исскуственного снижения горизонта грунтовых
вод, устройством дренажа с таким расчетом, чтобы уровень воды
был на 0,5 м ниже подошвы фундамента; г) сооружения сварного
кессона из мягкой стали (при отсутствии агрессивных вод); 3) осно-
основание фундамента должно быть расположено ниже глубины промер-
промерзания грунта (обычно 1,8 м от уровня земли); в отапливаемых или
горячих цехах, где нет промерзания грунта, углубление фундамента
незначительно; 4) для предотвращения сильного нагревания фунда-
фундамента от футеровки устраиваются воздушные каналы для венти-
вентиляции; 5) в случае заделки стоек каркаса в фундамент последний
должен быть проверен на достаточную прочность от скалывающих
усилий.
Если фундамент заложен на мень-
меньшую, чем требуется, глубину, он мо
жет опуститься, выпирая прилегающие
слои грунта. Глубину заложения фун-
фундамента, при которой исключена воз-
возможность выпирания грунта, можно
рассчитать по формуле:
, 1 — tg4 D5° - ф/2)
/ 2
3 4
2 tg D5° - ф/2)
где h — глубина заложения, м; ф — угол есте-
естественного откоса, град; b — ширина фундамен-
фундамента, м; // = Pl(Fy) — высота сголба грунта, м;
Р— давление фундамента, Па; F — площадь фун-
фундамента, м2; у — объемная масса грунта, кг/м:{.
Рис. 91. Конструкция смотрового окна:
/ — наружное стекло; 2 — упорное кольцо; 3 — кор-
корпус; 4, 5 — прокладки; 6,7 — патрубки; 8 — вну-
внутреннее стекло.
253

A 5
Рис. 92. Конструкция штуцеров для установки приборов КИП:
а — для приборов гидравлики; б — для термопар; / — трубка; 2 — штуцер; 3 — заглушка;
4 — тройник; 5 — пробка.
Конструирование вспомогательных устройств
Смотровые окна. Для визуального наблюдения за работой горе-
лочных устройств, процессом горения топлива и состоянием вну-
внутренней поверхности футеровки камеры горения на фронтальной
или боковой стенке печи предусматриваются смотровые окна.
Конструкция смотрового окна для печей, работающих под давле-
давлением, приведена на рис. 91. В этой конструкции предусматривается
охлаждение внутреннего стекла сжатым или вентиляторным возду-
воздухом, подаваемым через патрубок 6. Наружное защитное стекло
охлаждается воздухом, проходящим через корпус смотрового окна,
через специальные отверстия. Для создания герметичности в печи
внутреннее стекло устанавливается между прокладками, стягивае-
стягиваемыми упорным кольцом.
Штуцера для установки приборов КИП и автоматики. Все печи
должны быть оборудованы штуцерами для установки приборов КИП
и автоматики. Конструкции штуцеров приведены на рис. 92.

РАЗДЕЛ Ml
ЭКСПЛУАТАЦИЯ ПЕЧНЫХ КОМПЛЕКСОВ
И ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ
Глава 11
ЭКСПЛУАТАЦИЯ ПЕЧНЫХ КОМПЛЕКСОВ
Эксплуатация печных комплексов — это процесс промышленного
использования конкретных конструктивных типов печей со сред-
средствами обеспечения печного процесса и системой автоматизирован-
автоматизированного управления для производства целевых продуктов из заданных
исходных материалов и энергии. Она включает в себя: 1) пуск;
2) осуществление основных печных процессов с получением целевых
продуктов; 3) остановку; 4) эксплуатацию сжигательных устройств,
футеровки, средств обеспечения и систем автоматизированного управ-
управления процессами.
Каждый конструктивный тип печи в зависимости от видов осу-
осуществляемых в них печных процессов имеет свои, только ему при-
присущие особенности эксплуатации. Ниже рассматриваются основные
вопросы эксплуатации печей, которые являются общими для боль-
большинства печных комплексов.
Без знания и строгого соблюдения порядка и правил эксплуата-
эксплуатации печных комплексов невозможен их пуск, безопасная работа
и остановка.
Пуск печного комплекса
Пуск печного комплекса — это синхронное введение в действие
непосредственно печи как термотехнологического устройства, средств
обеспечения протекающих в них печных процессов и систем автомати-
автоматизированного управления ими. Эксплуатационный пуск печного
комплекса возможен только совместно и одновременно со всей тех-
технологической линией производства цеха (завода).
Пуск печей для сжигания фосфорсодержащего шлама начинается
сжиганием топлива с свободной от шлама рабочей камере, затем
процесс идет за счет теплоты экзотермической реакции окисления
фосфора и топлива.
Пуск сульфатсоляных печей начинается с создания в муфеле
«подушки» из соли хлористого натрия.
Пуск печей с вращающимся барабаном начинается только при
его вращении.
Пуск печей для нагрева под термическую обработку малых
изделий начинается при свободной рабочей камере и т. д.
Пуск печей подразумевает, что после включения теплогенерато-
теплогенераторов осуществляется разогрев футеровки и печной среды до режим-
режимных температур.
255

Осуществление основных печных процессов
Получение заданных целевых продуктов за счет осуществления
основных печных процессов является назначением всех типов печей.
Осуществление основных печных процессов возможно только при
создании в рабочих камерах печей стабильной химико-термической
системы «материал—среда—футеровка» в строгом соответствии с тех-
технологическим регламентом, представляющим собой совокупность
необходимых режимов и правил, определяющих порядок проведения
термотехнологических процессов.
Основные печные процессы представляют собой осуществление
взаимосвязанных и взаимозависимых целевых термотехиологических,
теплотехнических и механических процессов.
I. Термотехнологические процессы охватывают физические, хи-
химические и коллоидные процессы, ведущие к превращениям исходных
материалов в целевые продукты с одновременным получением побоч-
побочных продуктов и отходов.
Исходные материалы, поступающие в печи, и получаемые из них
целевые и побочные продукты должны строго соответствовать требо-
требованиям технологического регламента печного способа производства
продуктов по количеству вводимых в печи исходных материалов и по-
получаемых продуктов во времени, их качеству, фазовому состоянию,
гранулометрическому составу, физическим и химическим свойствам.
Протекание термотехнологических процессов возможно только
при создании в рабочих камерах следующих необходимых условий:
1) заданных температурных и гидравлических режимов; 2) требуемых
по химическому составу печных сред; 3) осуществления механиче-
механических процессов.
Конкретные термотехнологические процессы требуют создания
определенных, только им присущих условий, однако протекание
сопутствующих процессов должно подавляться во всех случаях.
II. Теплотехнические процессы в печах осуществляются для
создания и стабильного поддержания теплового состояния элементов
печной системы в строгом соответствии с температурным режимом
проведения термотехнологического процесса.
Осуществление теплотехнических процессов включает в себя
теплогенерацию в рабочих или топочных камерах и теплообмен
между элементами печной системы и внутри каждого из них.
Эксплуатация печей заключается в практическом осуществлении
решений, заложенных в проекте и конструкции печей, через тепло-
теплогенераторы со средствами их обеспечения и автоматизированного ре-
регулирования.
Способы теплогенерации в рабочих и топочных камерах и созда-
создание требуемых профилей температур в элементах печной системы
определяют порядок и особенности их эксплуатации.
В пламенных печах горение горючих исходных материалов или
топлива протекает в пламенах, являющихся формой протекания
химических реакций. Главная задача при эксплуатации пламенных
печей — регулируемое сжигание заданного количества горючих
256

материалов с точно установленным коэффициентом расхода окисли-
окислителя (воздуха) а, т. е. горение при определенном соотношении горю-
горючее/окислитель. Это необходимо для следующих целей: 1) получения
заданного целевого продукта; 2) создания и поддержания пламен
определенных геометрических форм, температуры и светимости;
3) создания газовых печных сред требуемой химической активности,
как постоянных, так и изменяющихся по длине печи или во времени.
Сжигание горючих материалов требует строгого соблюдения его тех-
технологии для предотвращения образования взрывоопасных смесей
и исключения взрывов печи, особенно в момент пуска.
В электрических печах теплогенерация осуществляется за счет
преобразования электрической энергии в тепловую различными спо-
способами. Несложна эксплуатация печей сопротивления, плазменных,
индукционных и др.
Эксплуатация руднотермических дуговых печей имеет много
специфических особенностей и сложностей и требует обслуживания
различного оборудования и систем.
В солнечных печах особую сложность при эксплуатации пред-
представляют системы слежения и преобразования солнечной энергии
в тепловую и контроль за температурой элементов печной системы.
Для организации хорошего теплообмена между элементами печ-
печной системы необходимо использовать ряд приемов, таких как
укладка изделий по поду печи с лучшим теплоприемом, движением
газовой печной среды и т. д.
III. Механические процессы в печах осуществляются для пере-
перемещения исходных материалов, полученных продуктов, печной
среды, охлаждающих печь охладителей и т. д. Перемещения элемен-
элементов печной системы обеспечивается с помощью различных аэродина-
аэродинамических и гидравлических приемов, функционированием тягодутье-
вых и транспортирующих материалы и продукты механизмов и
средств регулирования протекания механических процессов. Тре-
Требуемое перемещение элементов печной системы необходимо для
осуществления термотехнологических и теплотехнических процес-
процессов и создания необходимых гидравлических режимов в рабочей
камере печи.
При эксплуатации печей необходимо управлять механическими
процессами и содержать в надлежащем порядке все механическое
оборудование.
Для исключения необоснованных остановок и аварий при пуске
и последующей эксплуатации печей необходима предварительная
проверка: 1) готовности печного комплекса к пуску, а также наличия
исходных или пусковых инертных материалов и печной среды,
вводимой в рабочую камеру; 2) выполнения всех мероприятий, обес-
обеспечивающих безопасность эксплуатационного персонала при пуске.
Перед началом пуска печного комплекса необходимо выполнить
следующие подготовительные работы.
1. Проверить состояние и чистоту температурных швов в фу-
футеровке, наличие и чистоту зазоров для температурного расширения
элементов печи.
257

2. В водоохлаждаемые. элементы пустить воду, проконтролиро-
проконтролировать действия регулирующих и запорных органов, а также насосов.
Элементы промыть до поступления осветленной воды. Залить водой
гидравлические затворы.
3. Проверить отсутствие на печи и вблизи нее горючих материалов
и других посторонних предметов.
4. Проверить исправность освещения вокруг печи и во вспомога-
вспомогательных помещениях.
5. Проверить состояние сжигательных устройств и нагревателей.
6. Осмотреть вентиляторы, дымовые электродвигатели и пусковое
устройство. Корпус электродвигателя должен быть надежно зазем-
заземлен. Пуск вентилятора и дымососа нужно производить при закрытых
задвижках на нагнетательной или всасывающей линии во избежание
перегрузки электродвигателей.
7. Проверить исправность и работоспособность механизмов за-
загрузки, транспортирования и выгрузки материалов (продукта),
в печах с вращающимся барабаном — механизмов привода.
8. Опробовать приводы и легкость хода газовых и воздушных
клапанов (шиберов) на печи и боровах.
9. Проверить внешним осмотром воздухопроводы и задвижки
на них.
10. Проверить состояние газопровода, продувочных свечей, ар-
арматуры, измерительных и регулирующих приборов. Проверить от-
отсутствие заглушек и положение вентилей, кранов и задвижек.
Все вентили, краны, задвижки перед горелками и измерительными
приборами должны быть закрыты.
11. Проверить плотность кожухов или муфелей печей, работа-
работающих с газовой средой контролируемого состава, исправность
устройств, обеспечивающих безопасность работы со взрывоопасной
газовой средой, а также наличие продувочного газа в газгольдерах.
12. Проверить плотность импульсных трасс, исправность дей-
действия их запорных и регулирующих органов и систем дистанцион-
дистанционного управления.
13. Проверить состояние противопожарного инвентаря.
14. Проверить исправность телефонной связи печи с участком
газоснабжения.
15. Проверить наличие тяги в печи и дымоходах.
16. Проверить заземление металлических кожухов электриче-
электрических печей, электродвигателей, понижающих трансформаторов, щи-
щитов управления, труб для компенсационных приводов к цеховому
контуру заземления.
17. Проверить наличие надписей, запрещающих снимать кожуха
электрических выводов и крышки трансформаторов.
f18. Проверить смазку всех вращающихся и движущихся частей
и наличие на них ограждения.
Выше указанные предварительные работы являются практи-
практически общими и обязательными для большинства типов печей.
Общий порядок пуска печей следующий: 1) включение водяного
и воздушного охлаждения элементов печной системы; 2) введение
258

в рабочую камеру печных сред, приготовленных вне печи; 3) включе-
включение дымососов; 4) включение теплогенераторов; 5) включение дутье-
дутьевых вентиляторов; 6) включение механизмов загрузки исходных
материалов* и выгрузки полученных продуктов и т. д.
В зависимости от вида и характера течения термотехнологических
процессов и конструктивных типов печей пуск их имеет свои специ-
специфические особенности, что позволяет с сохранением целостности
конструкции печи получить целевой продукт.
Эксплуатация сжигательных устройств
Эксплуатация сжигательных устройств — это комплекс практи-
практических действий, обеспечивающих регулируемое сжигание расчет-
расчетного количества газового и жидкого топлива, а также горючих
исходных материалов с необходимой геометрической формой пла-
пламени и с созданием заданного температурного режима в рабочей
и топочной камерах печи.
К сжигательным устройствам устанавливаемым в печах отно-
относятся горелки и форсунки.
Эксплуатация горелок. При пуске печей, работающих на газовом
топливе, необходимо руководствоваться «Правилами безопасности
Госгортехнадзора», так как все горючие газы в определенных объем-
объемных соотношениях с воздухом взрывоопасны. При утечке газа
через неплотности газопроводов и газового оборудования возни-
возникает опасность пожара или взрыва.
После выполнения подготовительных работ на печи и установки
запорных и регулирующих устройств на газопроводах и воздухо-
воздухопроводах в предпусковое положение по указанию лица, ответствен-
ответственного за пуск газа, снимают заглушку. Продувку газопровода газом
проводят через концевые продувочные трубы-свечи в тупиках газо-
газопровода под давлением 3—4 кПа, но не менее 1 кПа. На каждом
продуваемом участке измеряется давление стационарным или вре-
временным прибором.
При продувке газопровода у печи сначала закрывают кран на
трубопроводе безопасности и открывают кран продувочного трубо-
трубопровода, затем общую отключающую задвижку. Давление газа
в трубопроводе поднимают постепенно. Продолжительность продувки
газопровода составляет 2—5 мин. По окончании продувки закрывают
кран продувочного трубопровода. Из имеющегося запальника от-
отбирают пробу для анализа, проверяют закрытие крана запальника
и крана перед горелкой. Продувка считается оконченной, когда
в пробе содержание кислорода в природном газе не превышает 1%.
Об окончании продувки можно судить также по поджиганию пробы
газа, отобранной в резиновую камеру или в ведро с мыльной эмуль-
эмульсией; газ должен зажигаться ровным пламенем без хлопков. Поджи-
Поджигать газ, выходящий из продуваемого газопровода, запрещается.
По окончании продувки газопровода выявляют места утечек
газа при помощи мыльной пены, наносимой на возможные^ места
утечек. После устранения утечек газа перед розжигом горелок печи
259

необходимо открыть шибер печи и убедиться в том, что в печи имеется
разрежение не менее 10—20 Па. Во избежание взрыва газовоздуш-
газовоздушной смеси необходимо в течение 10 мин тщательно провентилировать
реакционный объем печи и дымоходы. Для этого должно быть обес-
обеспечено поступление воздуха в печь через рабочие заслонки крышки
всех рабочих и смотровых окон.
При розжиге горелок нужно придерживаться следующего по-
порядка. Сначала спичкой зажигают газовый запальник, а затем
постепенно открывают газовый кран запальника. При достижении
устойчивого горения газа, выходящего из запальника, последний
вводят в специальное запальное отверстие в горелочной плите и
камне. При этом воздушная задвижка двухпроводной горелки или
воздухорегулировочная шайба инжекционной горелки должны быть
закрыты. При работе на двухпроводных газовых горелках перед
их розжигом следует проверить по манометру наличие необходи-
необходимого давления воздуха для дутья.
При срыве пламени или его погасании на запальнике необходимо
закрыть кран на трубопроводе запальника, вынуть его из печи и
вновь провентилировать печь для удаления газовоздушной смеси.
При устойчивом горении газа из запальника постепенно открывают
газовую задвижку или кран на трубопроводе горелки, чтобы вы-
выходящий из горелки газ воспламенился. Затем постепенно начинают
подавать воздух.
При подаче воздуха необходимо следить за процессом сгорания
газа: если процесс идет нормально, то пламя прозрачное и имеет
голубоватый цвет; если пламя мутное и имеет желтые языки, то
это свидетельствует о недостатке воздуха. В этом случае необхо-
необходимо постепенно увеличить подачу воздуха до получения нормаль-
нормального горения.
По окончании розжига горелок запальник необходимо вынуть
из печи, уменьшить величину пламени и повесить запальник около
печи. Наличие пламени на запальнике служит сигнализатором по-
поступления газа в горелки.
Временные горелки зажигают поочередно переносным мазутным
пламенем. Заслонки окон закрывают, убедившись в устойчивом го-
горении газа. Для предупреждения взрыва при погасании пламени
печи оборудуются запально-защитным устройством (ЗЗУ) с автома-
автоматическим прекращением подачи газа. На уровне временных горелок
поддерживают разрежение, обеспечивая полное сжигание газа и
удаление дымовых газов через дымосос и вытяжную трубу.
Перед зажиганием горелок малой и средней тепловой мощности
вновь открывают все окна. Основные горелки включают, начиная
с самой дальней по ходу газа, после удаления временных горелок,
при температуре футеровки 750—800 °С с помощью ЗЗУ или пере-
переносного мазутного пламени. Первую горелку зажигают при закры-
закрытом клапане на воздухопроводе, который затем постепенно откры-
открывают. Остальные горелки включают поочередно при частично откры-
открытом воздушном клапане только после того, как на ранее включенных
горелках получают устойчивое горение.
260

При каждом прекращении подачи газа следует закрывать за-
запорные устройства перед горелками, а после длительных остановок,
до включения горелок, необходимо продувать газопроводы.
При аварийной отсечке газа немедленно закрывают запорные
устройства перед горелками сначала на газопроводах, а затем на
воздухопроводах. Перед последующей подачей газа газопровод
после устранения причин, вызвавших отсечку, продувают газом.
При кратковременной остановке печи закрывают запорное устрой-
устройство на газопроводе перед горелками; последующее включение
горелок осуществляется без предварительной продувки газопровода.
При длительной остановке печи закрывают две входные газовые
задвижки и открывают газопровод-свечу между ними.
Горелки большой тепловой мощности разжигаются пусковыми
двухпроводными горелками малой тепловой мощности, которые раз-
разжигаются от запальника.
Розжиг горелки большой тепловой мощности от запальника
недопустим во избежание взрыва в печи.
Безопасное и экономичное сжигание газов возможно только
при условии устойчивости горения. Поэтому в процессе эксплуата-
эксплуатации следует выполнять следующие режимные мероприятия.
Во избежание отрыва пламени от горелки необходимо: 1) не
допускать работы горелок с перегрузкой, т. е. на большем давлении
газа и воздуха перед ними, чем это предусмотрено инструкцией;
2) увеличивать подачу газа и воздуха в горелки с принудительной
подачей воздуха попеременно, небольшими дозами при помощи
регулирующих органов; 3) не допускать работы горелок с повышен-
повышенным шумом и отрывающимся неровным пламенем, которое возникает
из-за повышенных выходных скоростей газовоздушной смеси или
чрезмерно большого избытка первичного воздуха; 4) при работе
горелок полного смешения во время их розжига не давать первич-
первичного воздуха более 50—60% необходимого для горения пока рассе-
рассекатель или туннель не раскалится докрасна; 5) не увеличивать на-
нагрузку горелки до полной до тех пор, пока топка достаточно не про-
прогреется, а своды, омываемые пламенем, стабилизирующие огнеупор-
огнеупорные горки, не раскалятся; 6) увеличивать тягу плавно, в особенности
при работе инжекционных горелок низкого давления; 7) при отрыве
пламени от горелки быстро прекратить подачу газа в горелку и
включить ее вновь в работу лишь после вентиляции печи примерно
в течение 10—15 мин (при работе нескольких горелок вентиляции
печи не требуется).
Во избежание проскока пламени в горелке необходимо: 1) не
допускать работы горелки при давлении газа перед нею ниже преду-
предусмотренного инструкцией; 2) повышая нагрузку горелок с при-
принудительной подачей воздуха, сначала увеличивать подачу газа,
а затем воздуха, и наоборот, при понижении нагрузки горелок сна-
сначала уменьшить подачу воздуха, а затем газа; 3) зажигание газа
в горелках производить на вторичном воздухе, а подачу первичного
воздуха производить после загорания газа; 4) при отключении сна-
сначала снизить производительность горелок до минимальной (согласно
261

инструкции), а затем быстро отключить подачу газа; 5) при работе
горелок неполного предварительного смешения не допускать их
работы с повышенной подачей первичного воздуха, обедняющего
смесь и повышающего скорость распространения пламени; 6) не
допускать перегревания выходной головки горелки (при проскоке
пламени в горелку следует отключать подачу газа в горелку и не
включать до полного ее охлаждения); 7) уменьшать тягу в топке
осторожно, наблюдая за нормальной работой горелки.
Остановка печей осуществляется выключением газовой горелки,
для этого необходимо в несколько приемов уменьшить подачу воз-
воздуха и газа (при двухпроводных горелках). Если установлены
инжекционные горелки, то нужно снижать только расход газа.
После выключения всех газовых горелок перекрывают рабочую
и контрольные газовые задвижки на подводящем к печи газопроводе
и открывают кран на трубопроводе безопасности. Затем через 10—
15 мин после выключения всех газовых горелок можно закрыть
дымовой шибер печи, установленный на борове, соединенном с ды-
дымовой трубой.
Пуск печей на печном газе, содержащем элементарный фосфор,
имеет свои особенности и проводится следующим образом.
Перед пуском все трубопроводы и горелки продуваются инерт-
инертным газом (азотом) с выводом его через продувочный трубопровод
или через печь в дымовую трубу. Для этого всю систему заполняют
инертным газом. После продувки берут анализ на содержание кисло-
кислорода. Его должно быть не больше 1%.
Перед пуском печи открывают отсечной клапан и задвижки перед
ним и после него. Закрывают регулирующую задвижку перед го-
горелкой. Розжиг производится запальником, к которому подведен
природный газ. Зажженный запальник вставляется в запальное
отверстие, и после этого постепенно открывается регулирующая
задвижка перед горелкой. Печной газ вытесняет инертный и воспла-
воспламеняется.
Для остановки печи закрывают отсечной клапан. Одновременно
с этим в трубопровод автоматически подается инертный газ. Подача
его прекращается через 15 мин.
Эксплуатация форсунок складывается из пуска их в работу,
организации сжигания топлива и прекращения работы.
Пуск форсунки в работу возможен только после подачи к ней
с определенным давлением мазута, распылителя (пар, воздух) и
окислителя (воздух).
Температуру мазута перед форсункой поддерживают в зави-
зависимости от его марки (характеризующей вязкость): 90—100 °С —
для марок 80 и 100; 75—80 °С — для марок 40—60. Давление мазута
перед входной задвижкой обычно составляет 500—600 кПа.
Перед розжигом форсунок проверяют, нет ли утечек мазута
и распылителя, и устраняют их при обнаружении. В случае остыва-
остывания коллектора застывшую часть мазута выпускают через штуцер
в тупиковом участке мазутопровода. Непосредственно перед за-
зажиганием мазута открывают рабочие и смотровые окна печи и при-
262

ступают к вентиляции печи и газоходов в течение 10—15 мин. Затем
проверяется давление мазута перед форсункой, продувается паровая
линия от конденсата. Всегда сначала приступают к розжигу одной
из форсунок следующим образом. Подносят к тоннелю горелочного
камня, к соплу форсунки пламя от переносной, пропитанной мазу-
мазутом пакли, затем включают понемногу подачу распылителя и, по-
постепенно открывая запорный вентиль перед форсункой, подают
в нее Мазут. Струя мазута, направленная на растопочное пламя,
должна сразу загореться. Убедившись в его воспламенении, регу-
регулируют вручную поступление в форсунку мазута, распылителя и,
в последнюю очередь, вторичного воздуха для горения. Горение
мазута должно быть устойчивым и бездымным. При плохом распы-
распылении или недостаточном подогреве мазут разбрызгивается круп-
крупными каплями, коптящими при сжигании.
Зажигание распыленного мазута от раскаленной футеровки
печи категорически запрещается. Зажигание мазута разрешается
только от надежного пламени.
Если при розжиге мазут не воспламеняется, то необходимо не-
немедленно закрыть сначала мазутный, а затем паровой вентили,
убрать розжиговое пламя, провентилировать печь и газоходы в те-
течение 10—15 мин.
Мазутное пламя может погаснуть в результате засорения мазут-
мазутной линии или мазутного сопла форсунки, попадания в мазут воды,
недостаточной вязкости мазута или излишней подачи пара.
Если погаснет пламя от уже работающих форсунок, то необ-
необходимо прекратить подачу мазута в эти форсунки и зажигать их
только с помощью розжигового пламени. При погасании пламени
во время розжига всех работающих форсунок следует провести
их повторный розжиг в указанном выше порядке.
При розжиге распыленного форсункой мазута нельзя стоять про-
против смотровых окон печи, розжиговых лючков, чтобы не получить
ожоги от случайного выброса пламени.
Если на печи установлено несколько форсунок, то к включению
второй и последующих приступают только после того, как при работе
на первой будет достигнуто устойчивое горение, пламя будет нор-
нормальным, ярко очерченным, без копоти. Вначале включают мини-
минимальное число форсунок, достаточное для равномерного (симметрич-
(симметричного) разогрева футеровки.
После зажигания мазута рабочие и смотровые окна закрывают,
оставляя открытыми только те отверстия, через которые наблюдают
за работой форсунок.
Участки с регуляторами давления мазута, датчиками его расхода
и регулировочными клапанами вводят в действие после того, как
будет достигнута устойчивая работа включенных форсунок и тем-
температура футеровки в работе установки форсунок достигнет 800—
900 °С, так как при этом обеспечивается надежное воспламенение
мазута.
Для обеспечения нормальной работы форсунок необходимо,
чтобы их производительность соответствовала расходу мазута на
263

печь с резервом не более 15%. При недостаточной производитель-
производительности форсунок время на розжиг печи сильно возрастает и трудно
выдерживать температуру по заданному графику. При завышенной
производительности форсунки подтекают, а при плохой регулировке
горение происходит с большим избытком воздуха, что в результате
приводит к перерасходу мазута.
В случае перегрева мазут пенится и поступает в форсунку толч-
толчками с перебоями, что может привести к затуханию пламени. Может
происходить также закоксовывание мазутного отверстия. Чрезмер-
Чрезмерная подача распылителя вызывает перебои в подаче мазута. Большое
содержание влаги в мазуте, особенно при слоистом неравномерном
распределении ее в мазуте, приводит к затуханию пламени. При не-
недостаточном поступлении воздуха для горения мазута пламя ста-
становится коптящим. Неправильная сборка форсунки может вызвать
перебои в ее работе, искривление пламени. Работа на загрязненном
мазуте может привести к засорению мазутного сопла. При резких
колебаниях давления мазута он поступает в форсунку с пере-
перебоями.
Во время пуска печей на мазутном топливе необходимо поддер-
поддерживать давление мазута до регулирующих вентилей, а также давле-
давление воздуха перед шибером в регистре.
Для уменьшения расхода мазута, подаваемого в форсунки, не-
необходимо сначала убавить подачу мазута и пара, а затем воздуха
и уменьшить разрежение в печи. Для увеличения расхода мазута
сначала увеличивают разрежение в печи, а затем подачу пара и
воздуха.
Подачу воздуха в форсунки или регистр регулируют по внешнему
виду пламени (его длине и цвету). При недостаче воздуха пламя
удлиняется и имеет темно-желтый цвет. На конце пламени появ-
появляются дымные языки. При большом избытке воздуха пламя уко-
укорачивается и приобретает ослепительный белый цвет. О полноте
сгорания мазута можно судить по анализу газа, покидающего печь.
Появление черных полос в корне пламени свидетельствует о за-
засорении сопла форсунки. Такую форсунку следует прочистить или
заменить. Наличие «мушек» указывает на недостаточную вязкость
мазута или на его плохое распыливание.
Во избежание удара пламени в футеровку форкамеры форсунка
должна быть установлена центрально по отношению к форкамеры
печи.
Форсунка должна быть обращена воздушным патрубком кверху,
но ни в коем случае не вниз (во избежание затекания мазута в воздуш-
воздушную трубу).
Регулировочный мазутный вентиль нужно ставить маховичком
вверх или вбок для удобства обслуживания.
Воздушный шибер нужно ставить ручкой горизонтально во из-
избежание самопроизвольного открывания или закрывания шибера
при постановке вниз или вверх.
Форсунку и арматуру необходимо держать в чистоте и при сдаче
смены обязательно протирать ветошью.
264

При выключении форсунок необходимо сначала снизить расход
мазута, далее закрыть у форсунки мазутный, а затем паровой вен-
вентиль, после выключения всех форсунок провентилировать печь и
только затем остановить дутьевой вентилятор и дымосос, если он
имеется.
При аварийном выключении форсунок следует прекратить по-
подачу мазута и воздуха и уменьшить разрежение в печи.
При выключении форсунок необходимо закрыть не только регу-
регулировочный, но и запорный вентиль, так как регулировочный вен-
вентиль закрывается неплотно. Пропуск мазута приводит к его коксо-
коксованию в форсунке.
Остановка печного комплекса
Остановка печи осуществляется только при крайней необходи-
необходимости. Неоправданные остановки сокращают срок службы футеровки
печи, нарушают все режимы в ней, наносят экономический ущерб
предприятию — из-за прекращения получения целевых продуктов
нарушаются режимы работы смежных цехов и всего завода.
Порядок остановки печей бывает нормальный, аварийный и на
горячий резерв.
Нормальный порядок остановки печи осуществляется для про-
проведения ремонта и осмотра состояния футеровки.
Аварийная остановка печи вызывается: пожаром или угрозой
взрыва в цехе; выходом из строя оборудования; понижением давле-
давления или прекращением подачи природного газа, мазута, ведущим
к погасанию пламени и созданию взрывоопасного состояния внутри
печи и газоходов; прекращением подачи воды, пара, специальной
газовой печной среды, ведущим к выходу из строя оборудования;
горением угольной пыли в газоходах и т. д.
Остановка на горячий резерв вызвана организационными при-
причинами: перебоями в поставке исходных материалов; поломками
оборудования, транспортирующего в печь сырье; временным от-
отсутствием потребности в полученных продуктах и т. д.
Несмотря на разнообразие типов печей и видов термотехнологи-
термотехнологических процессов, осуществляемых в них, имеется определенный
и обязательный порядок их остановки.
Порядок нормальной остановки печей: 1) прекращение подачи
исходных материалов в печь; 2) прекращение подачи энергии (топлива
и электричества) в печь; 3) прекращение подачи пара; 4) разгрузка
печи и охлаждающих устройств от полученных продуктов; 5) пре-
прекращение подачи специальных газовых печных сред; 6) выключение
воздуходувки, а затем дымососа.
Порядок аварийной остановки печи: 1) немедленное прекращение
подачи энергии (топлива и электричества) в печь; 2) прекращение
подачи исходных материалов в печь; 3) разгрузка печи (при необ-
необходимости) от исходных материалов и полученных продуктов; 4) пре-
прекращение подачи в печь специальных газовых печных сред; 5) вы-
265

ключение воздуходувки, затем дымососа; 6) выключение подачи
в печь пара, воды (при необходимости).
Порядок остановки на горячий резерв: 1) прекращение загрузки
печи исходными материалами и выгрузки полученных продуктов;
2) уменьшение до минимума расхода энергии; 3) уменьшение произ-
производительности воздуходувок и дымососов.
Некоторые типы печей имеют свои специфические особенности
порядка остановки, которые рассматриваются в соответствующих
инструкциях по их эксплуатации.
Эксплуатация футеровки
Эксплуатация футеровки печи — это комплекс практических
действий, обеспечивающих сохранение в течение длительного вре-
времени строительной прочности и требуемой газоплотности при осу-
осуществлении печных процессов. Эксплуатация футеровки печи вклю-
включает: разогрев, функционирование и охлаждение.
Перед включением теплогенераторов необходимо осмотреть со-
состояние футеровки. Только после этого включают теплогенераторы
и начинают разогрев футеровки печи до рабочих температур. Разогрев
футеровки необходимо проводить медленно и равномерно, чтобы
предотвратить ее разрушение из-за резкого подъема температуры
внутренней поверхности рабочей и топочной камер.
В процессе разогрева футеровки печи необходимо особенно вни-
внимательно наблюдать за сводами и состоянием температурных швов.
Разогрев футеровки печи из штучных изделий, бывшей в эксплуа-
эксплуатации, но находившейся длительное время в холодном состоянии,
производится со скоростью 100—150 °С/ч, а при перерыве менее
суток — 200—300 °С/ч.
Разогрев футеровки печи из жаростойкого бетона после остановки
не более 2 суток в летнее время года производится со скоростью,
необходимой по технологическим условиям, но не превышающей
100°С/ч. !
После длительной остановки печи в летнее время года (или печи,
находящейся в помещениях) ее нагрев осуществляется по режиму:
подъем до 160 °С — не менее 2 ч, выдержка при 160—200 °С — 12 ч,
дальнейший подъем до рабочей температуры — со скоростью не
более 50 °С/ч.
'- Шри длительной остановке печи в холодное время года ее пуск
производится по режиму: прогрев бетона при температуре не выше
100 °С — 12 ч; подъем от 100 до 160 °С — 2 ч; выдержка при 160 °С —
12 ч; подъем от 160 до 250 °С — 2 ч; выдержка при 250—300 °С —
10 ч и дальнейший подъем температуры до рабочей — со скоростью
не более 50 °С/ч.
В случае обнаружения ненормальностей в процессе разогрева
их устраняют, по возможности, на ходу, делая выдержку при той
температуре, при которой был обнаружен дефект.
Толкательные печи с металлическими направляющими разогре-
разогревают с загруженными поддонами, вагонетками с целью предохране-
предохранения рельсового пути от деформации,
266

При разогреве рольганговых печей необходимо безостановочное
вращение роликов рольганга, чтобы избежать прогиба роликов.
В печах с вращающимся барабаном разогрев футеровки необхо-
необходимо вести, поворачивая барабан, во избежание его прогиба, а также
для предохранения муфеля печи и других металлических внутрен-
внутренних деталей от появления трещин.
К концу разогрева футеровки печи выходят на режим, близкий
к проектному по температурам и давлениям в рабочей камере. Если
футеровка печи выполнена из динасовых кирпичей, то после ее разо-
разогрева до рабочих температур необходимо ее эксплуатировать без
охлаждения, учитывая особое свойство динасового кирпича при
разогреве и охлаждении.
Разогрев печи осуществляют также по графикам, различным
в зависимости от конструкции печи.
Из изложенного ясно, что, в сущности, важно не только то,
сколько времени необходимо разогревать футеровки печи, но и как
вести этот процесс.
Разогрев печи до заданного проектного режима должен обеспе-
обеспечивать качественное проведение термотехнологического процесса,
ее надежную и безаварийную работу.
Футеровка печи, находящейся в эксплуатации, требует особого
внимания. Следует как можно чаще проводить контрольные осмотры
различных мест футеровки и ремонтировать обнаруженные, даже
мелкие, повреждения, поскольку незначительные вначале поврежде-
повреждения могут быстро превратиться в крупное разрушение.
При осмотрах футеровки надо обращать внимание на начинаю-
начинающиеся разрушения кладки, не допуская местного разъедания шла-
шлаком, размывания швов, местного отскакивания лещадок кирпича,
выпучин футеровок, просадки сводов. Необходимо проводить при
этом тщательную проверку швов и зазоров, предназначенных для
компенсации расширения, наблюдая за тем, чтобы не было засоре-
засорения или слишком плотного заполнения асбестовым шнуром либо
картоном, а также заливки их шлаком. Следует тщательно следить
за образованием трещин в футеровке, стараясь выяснить причину их
появления и вероятность дальнейшего развития, а также необходи-
необходимость принятия мер для предотвращения развития старых и появле-
появления новых трещин.
Особое внимание необходимо обращать на целость футеровки,
защищающей опасные места каркаса, заслонок, облицовочных плит
и т. д.
При осмотре футеровки трещины, проходящие через стены на-
насквозь, можно часто обнаружить по пятнам сажи на стенах. Обна-
Обнаруженные на огнеупорной футеровке наросты шлака следует отби-
отбивать только в том случае, если их присутствие мешает нормальной
работе. В остальных случаях их не надо трогать, так как они
являются хотя и плохим, но все же защитным слоем для футе-
футеровки.
Необходима периодическая прочистка пространств, предназна-
предназначенных для движения расширяющихся частей футеровки, от по-
267

падающих туда золы, окалины, комков раствора, осколков кирпича,
кусков шлака и т. д.
Охлаждение футеровки печи осуществляется при ее остановке
или технологической необходимости вместе с находящимися в ней
полученными продуктами.
Футеровку печи необходимо охлаждать, соблюдая режим охла-
охлаждения и равномерность распределения температуры по всему
объему во избежание резкого остывания отдельных зон.
Охлаждение футеровки печи, выполненной из жаростойкого
бетона, с рабочей температурой до 600 СС осуществляется снижением
температуры в рабочей камере со скоростью не более 50 °С/ч. а с 600
до 100 °С — со скоростью, не превышающей 20 °С/ч, с постепенным
отключением работающих теплогенераторов.
После охлаждения необходимо тщательно осмотреть печь с целью
определения состояния бетона, элементов конструкции и швов между
блоками. Все обнаруженные дефекты подлежат устранению, и только
после этого разрешается последующий разогрев футеровки печи.
Чем медленнее и осторожнее производится разогрев при пуске
печи в работу и охлаждения при остановке, тем больше гарантия
прочности и продолжительности работы футеровки.
Весьма существенным приемом удлинения срока работы футе-
футеровки являются планово-предупредительные ремонты, сроки кото-
которых устанавливаются по данным эксплуатационных наблюдений.
Глава 12
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ И* ОХРАНА ТРУДА
При эксплуатации печей имеется большое количество производ-
производственных операций, при выполнении которых необходимы специ-
специальные меры по охране труда и технике безопасности. Невыполнение
этих мер и несоблюдение технологического режима может вредно
отразиться на здоровье обслуживающего персонала и быть причиной
производственных аварий.
Токсические свойства химических веществ. Степень и характер
нарушения нормальной деятельности организма человека зависят
от концентрации вредного вещества, продолжительности его воздей-
воздействия и токсических свойств. По характеру возникновения и тече-
течения различают острые и хронические формы отравлений. Острая
форма отравлений развивается в результате кратковременного дей-
действия на организм больших концентраций вредных веществ, хрони-
хроническая — в результате длительного воздействия относительно малых
концентраций ядовитых веществ.
Для предотвращения отравлений и профессиональных заболева-
заболеваний содержание вредных веществ в воздухе производственных поме-
помещений не должно превышать определенной величины.
Желтый фосфор — конечный продукт электротермической
переработки фосфоритов. Он является сильнодействующим ядом;
258

смертельная его доза для человека составляет 0,05—0,06 г. Попадая
в желудок, яд вызывает острое отравление, которое сопровождается
рвотой (выброшенное содержимое желудка светится в темноте),
резкими болйми, кровавым поносом, головокружением, ослабле-
ослаблением пульса.
Предельно допустимая концентрация желтого фосфора в воздухе
производственных помещений составляет 0,03 мг/м3.
При длительной работе в атмосфере, содержащей пары фосфора,
концентрация которых выше нормы, и в случае нарушения правил
личной гигиены и техники безопасности наступает хроническое
отравление, обусловливаемое способностью фосфора аккумулиро-
аккумулироваться в организме человека.
Постепенное проникновение желтого фосфора в ткани человече-
человеческого организма и накапливание его происходит главным образом
и наиболее легко через кариозные зубы и вызывает некроз — омерт-
омертвление костей, особенно челюстей.
Желтый фосфор и фосфорный шлам на воздухе самовоспламе-
самовоспламеняются. Расплавленный горячий фосфор и фосфорный шлам (струя,
капли) при попадании на кожные покровы вызывают сильные,
медленно заживающие ожоги. Вначале на теле появляется резко
очерченное красное пятно, а с течением времени на этом месте воз-
возникает язва.
В случаях отравления фосфором рекомендуется через каждые
10 мин в течение часа пострадавшему давать рвотное средство —
0,2 г медного купороса (в виде водного раствора) на один
прием.
При попадении фосфора или фосфорного шлама на тело, необ-
необходимо немедленно потушить горячий фосфор (лечь в ванну с водой),
накинуть на пламя смоченную водой ткань, залить горячий фосфор
струей воды из-под крана и освободить пострадавшего от горящей
одежды. Удалить все видимые частицы фосфора и фосфорного шлама,
наложить на ожог повязку, обильно смоченную 2%-ным раствором
медного купороса или 3—5%-ным раствором перманганата калия.
Вазелин и мази применять нельзя, так как они способствуют более
глубокому проникновению фосфора в организм.
На рабочем месте всегда должны иметься защитные очки-свето-
очки-светофильтры, респираторы, рукавицы. Каждый рабочий должен иметь
при себе и пользоваться при необходимости индивидуальным сред-
средством защиты: противогазом марки БКФ.
В цехе должен находиться аварийный запас спецодежды, спец-
спецобуви, противогазов марки БКФ, а также шланговые противогазы
марок ПШ-1, ПШ-2 и кислородные приборы КИП-5. В цехе должна
быть аптечка для оказания первой помощи с набором медикаментов,
установленным врачом здравпункта, и инструкция по их применению.
Работать можно только в спецодежде установленного образца
(суконный или асбестовый костюм, резиновые сапоги, резиновый
фартук, кожаные рукавицы и защитные очки).
Костюм необходимо наглухо застегнуть на молнию, брюки
следует заправлять в сапоги с напуском на голенище, чтобы исклю-
269

чить возможность попадания фосфора на тело. В цех нельзя допускать
посторонних лиц.
На рабочих местах должны быть ванны с чистой теплой водой,
души, растворы медного купороса и перманганата калия, фосфор и
фосфорные шламы должны быть всегда покрыты слоем воды.
В целях сохранения здоровья работающих, необходимо строго
соблюдать следующие правила личной гигиены: полоскать полость
рта в течение рабочей смены 1—2%-ным раствором перманганата
калия; не употреблять пищу в помещении цеха; не трогать пищевые
продукты немытыми руками; не курить в цехе и не брать папиросы
немытыми руками; принимать душ после работы.
Необходимо тщательно следить за состоянием зубов. Больные
зубы следует лечить или удалить, после работы обязательно чистить
зубы щеткой и зубным порошком, обращаться к зубному врачу для
осмотра зубов не реже одного раза в месяц. Не менее двух раз в год
необходимо проходить общий врачебный осмотр для контроля за
состоянием внутренних органов (легких, сердца, печени, почек),
на которые фосфор оказывает вредное воздействие.
Оксид ванадия (V), применяемый в печах при производ-
производстве катализаторов, является ядовитым веществом и вызывает изме-
изменение в кровообращении, органах дыхания, нервной системе, обмене
веществ, приводит к воспалительным и аллергическим заболева-
заболеваниям кожи.
Предельно допустимая концентрация его в воздухе производ-
производственных помещений — 0,002 мг/м3.
Высоко- и низкотемпературные катализа-
катализаторы по действию на организм человека аналогичны действию
оксида ванадия (V). Предельно допустимая норма в рабочем помеще-
помещении цеха — 0,5 мг/м3.
Пыль выделяется в большом количестве при работе шахтных
печей, обжиговых и агломерационных машин, руднотермических и
содовых печей. Помимо загрязнения производственных помещений,
оборудования и окружающего воздушного бассейна пыль вредно
действует на организм человека. Пыль кварцита вызывает хрони-
хроническое заболевание легких — силикоз, пыль фосфорита — раздра-
раздражение слизистых оболочек и изменение в легочной ткани, пыль
кокса — кашель, боли в груди, одышку и бронхит.
Известковая пыль (особенно пыль негашенойиз вести) из извест-
ково-обжиговых печей действует на слизистые оболочки глаз, раз-
раздражает кожу и даже причиняет ожоги, при соприкосновении с водой
выделяет большое количество теплоты.
Содовая пыль из содовых печей при вдыхании раздражает сли-
слизистые оболочки носа и вызывает заболевание органов дыхания.
Агломерат от агломашин при длительном воздействии может
вызвать раздражение слизистых оболочек и изменение легочной
ткани.
Допустимые нормы содержания пыли в воздухе производственных
помещений (в мг/м3, не более): известковой пыли — 10, фосфорит-
фосфоритной пыли -- 5, кварцитной пыли — 1, коксовой пыли — 4, содовой
270

пыли — 10, агломерата — 6, смеси коксовой и кварцитной
пыли — 2.
Для предотвращения выделения пылесодержащих газов в произ-
производственные помещения и в воздушный бассейн печи обжиговые
и агломерационные машины должны работать под разрежением и
снабжаться пылеулавливающим оборудованием.
Электродная масса — твердое вещество, состоящее из смеси
антрацита, кокса, каменно-угольного пека и смолы. Пыль электрод-
электродной массы может вызвать рак кожи и легких; предельно допустимая
концентрация в воздухе производственных помещений — 10 мг/м3.
Шлак из фосфорных печей представляет собой огненно-жидкий
продукт. Пыль шлака вызывает заболевание верхних дыхательных
путей — бронхит и пневмоконикоз. Предельно допустимая концен-
концентрация — 4 мг/м3.
Газы в производственные помещения могут выделяться из-за
нарушения герметичности печей и трубопроводов или нарушения
технологического режима.
Сернистый ангидрид SO2 (диоксид серы), получаемый
в печах после обжига колчедана или сжигания серы и сероводорода
вызывает раздражение кожи, слизистых оболочек носа, глаз и верх-
верхних дыхательных путей. При содержании в воздухе 60 мг/м3 SO2
возможны острые отравление, сопровождающиеся отеком легких и
расширением сердца. Предельно допустимая концентрация серни-
сернистого ангидрида в воздухе рабочей зоны не должна превышать
10 мг/м3.
Чтобы избежать отравлений при аварийном выделении серни-
сернистого ангидрида, необходимо надевать фильтрующие противогазы.
Пострадавшего от отравления надо немедленно вынести на свежий
воздух, дать ему вдохнуть кислород и ввести внутрь слабый раствор
соды.
Серный ангидрид SO3 (триоксид серы), содержащийся
в отходящих газах после обжига колчедана, соединяясь с парами
воды, образует туман, состоящий из мелких капелек серной кислоты,
затрудняет дыхание. Предельно допустимая концентрация серного
ангидрида в воздухе рабочей зоны не должна превышать 1 мг/м3.
Сероводород H2S, поступающий на сжигание в печи, яв-
является сильнейшим ядом., При больших концентрациях (выше
1 г/м3) отравление происходит мгновенно, вызывая судороги и по-
потерю сознания; смерть наступает вследствие паралича дыхательного
центра. Предельно допустимая концентрация HoS в воздухе рабочей
зоны — 10 мг/м3.
Фосфористый водород РН3 представляет собой горю-
горючий газ с запахом и является сильным ядом, вредно действующим на
нервную систему, а также на кровеносные сосуды, органы дыхания,
печень, почки и другие органы. Предельно допустимая концентра-
концентрация в воздухе производственных помещений составляет 0,1 мг/м3.
Ф о с"ф о р н ы й а и г и д р и д, или оксид фосфора (V), Р2ОЙ
является промежуточным продуктом при производстве термической
фосфорной кислоты из желтого фосфора или фосфорного шлама.
271

Фосфорный ангидрид находится в газообразной форме и, попадая
в дыхательные органы человека, поражает слизистые оболочки чело-
человека, вызывая в горле кашель, доходящий до рвоты, удушье, отек
легких, слезотечение и резь в глазах. На кожу действует раздра-
раздражающе и прижигающе. Предельно допустимая концентрация фосфор-
фосфорного ангидрида в воздухе производственных помещений — 1 мг/м3.
Для предотвращения попадания фосфорного ангидрида в воздух
необходимо следить за своевременным устранением нарушений уплот-
уплотнений у трубопроводов и аппаратов, а также за наличием необходи-
необходимого разрежения в системе печи сжигания не менее 5 Па.
Печной газ СО — один из важнейших побочных продук-
продуктов работы фосфорной печи — является чрезвычайно сильным
отравляющим веществом. Содержание СО в воздухе рабочих поме-
помещений может быть не более 30 мг/м3 (в пересчете на HF — не более
0,5 мг/м3).
Печной газ содержит в своем составе элементарный фосфор,
поэтому обладает способностью самовоспламенения и при определен-
определенном соотношении с кислородом исключительно взрывоопасен.
Выход СО в помещение цеха возможен после конденсационной
установки у уплотнений электрододержателя в крышке печи и уплот-
уплотнения между электрододержателями и электродами из-за нарушения
их герметичности. В этом случае выходящий печной газ настолько
разбавлен азотом, что не может немедленно самовоспламениться
и представляет большую опасность как отравляющее вещество.
Оксид углерода также может выходить из печных бункеров при
их недостаточном заполнении.
В опасных точках, т. е. над печью, над печными бункерами
и газовой станцией необходима установка приборов для наблюдения
за составом воздуха в помещении цеха.
В указанных точках регулярно автоматически отбираются пробы
воздуха и анализируются на содержание в нем СО. При превышении
предельной величины СО @,05%) подается сигнал тревоги и пер-
персонал, работающий в этих местах, должен надеть противогазы.
Газодувки для печного газа должны выполняться в герметичном
исполнении и обогреваться паром или горячей водой. Они должны
иметь подвод горячей воды для промывки. Отвод конденсата и про-
промывочной воды следует осуществлять через гидрозатвор.
Все установки, в которых печной газ используется в качестве
топлива, должны иметь систему автоматической отсечки подачи газа
в случаях: остановки дымососа, падения давления газа, падения
давления первичного воздуха, погасания пламени, отсутствия элек-
электроэнергии. При отсечке печного газа в газоход должен автомати-
автоматически подаваться инертный газ.
В электропечах, содержащих печной газ, должна быть обеспечена
максимальная герметизация. Все места, не поддающиеся полной
герметизации, должны находиться под давлением инертного газа.
Для повышения безопасности работы цеховой персонал должен
хорошо знать инструкции по технике безопасности и строго выпол-
выполнять их требования. Особое внимание нужно обратить на то, чтобы
272

приточная и вытяжная вентиляция всегда находилась в исправном
состоянии и включалась в работу при пуске цехов.
Безопасность от химических ожогов. Термическая фос-
фосфорная кислота Н3РО4, особенно горячая (как и горячий
фосфор), при попадании на тело вызывает сильные ожиги, поскольку
является активным водоотнимающим веществом.
При попадании на кожу кислоту следует немедленно смыть,
тщательно промыть пораженное место обильной (не сильной) струей
воды, смочить пораженный участок 5%-ным раствором перманганата
калия. При поражении кислотой или фосфорным ангидридом глаз
необходимо тщательно промыть их водой и немедленно обратиться
к врачу. Разлитую на полу цеха кислоту необходимо нейтрализо-
нейтрализовать известью, известковым молоком или кальцинированной содой
и не допускать ее разбрызгивания; облитое место промывается
водой и осушивается.
Серная кислота H2SO4, используемая в сульфатсоляных
печах, при попадании на кожу вызывает сильные, долго незажива-
незаживающие ожоги. Ожоги на большом участке поверхности кожи очень
опасны, иногда смертельны.
Попавшую на кожу серную кислоту необходимо смыть сильной
струей холодной воды, затем обожженную поверхность тела смочить
3%-ным содовым раствором и смазать вазелином. При обслуживании
насосов, кранов, вентилей, кислотопроводов необходимо пользо-
пользоваться предохранительными очками.
Электробезопясность. Электрическая энергия является основным
видом энергии в ряде печей, и поэтому необходимо помнить, что элек-
электрический ток опасен, если неправильно и неумело им пользоваться.
Опасность электрического тока усугубляется тем, что во многих
случаях его действие является неожиданным, он может оказаться
не только на токоведущих частях, но и там, где его не должно быть.
Действие тока на организм человека очень сильно и нередко закан-
заканчивается смертельным исходом. Вследствие этого обращение с элек-
электрическим током требует знания его свойств, правильного примене-
применения, особого внимания и осторожности.
Поражения электрическим током организма человека существенно
отличаются от других видов производственных травм. Различают
электрические удары, когда током поражается весь организм, и
электротравмы, результатом которых являются местные внешние
поряжения тела — ожоги.
При электрическом ударе, когда ток проходит через тело че-
человека, в большинстве случаев вначале нарушается дыхание, а
сердце продолжает еще работать с нарушением ритма, после чего
может последовать остановка деятельности сердца. Степень опас-
опасности поражения электрическим ударом определяется силой тока,
прошедшего через организм человека, напряжением, продолжи-
продолжительностью нахождения человека под током, путями прохождения
тока и другими обстоятельствами.
Применяемый на промышленных предприятиях ток для освеще-
освещения вызывает смертельное поражение.
273

Безопасным напряжением считается напряжение не выше 36 В,
а при работе в особо опасных условиях, когда возможность пора-
поражения увеличивается теснотой, в сырых помещениях, внутри резер-
резервуаров и аппаратов безопасным напряжением считается 12 В.
Большое значение для исхода электрического удара имеет про-
продолжительность нахождения пострадавшего под действием тока;
очень важно быстро освободить пострадавшего от воздействия
электрического тока.
На исход поражения электрическим током влияет также и путь
прохождения его через тело человека. Наиболее опасно прохождение
тока через жизненно важные органы — сердце и легкие.
Основными мерами защиты человека от поражения электриче-
электрическим током являются: 1) исправность и правильная эксплуатация
электрооборудования пусковых механизмов и токоведущих частей;
2) защита от прикосновения к токоведущим частям; 3) защита от
перехода напряжения на нетоковедущие части оборудования; 4) на-
наличие блокировочных и сигнальных устройств, предупредительных
плакатов и подписей; 5) применение индивидуальных защитных
средств.
Электробезопасность требует создания условий недопустимости
поражения током за счет ограждения всех токоведущих частей.
Для предотвращения опасных последствий от повреждения изо-
изоляции должно быть защитное заземление.
Кроме заземления для защиты от перехода напряжения на нето-
нетоковедущие части оборудования применяется защитное отключение.
Это устройство автоматически в течение сотых долей секунды выклю-
выключает электроток при переходе его на неметаллические части обору-
оборудования.
Большое значение для профилактики электротравматизма имеет
наличие блокировочных и сигнальных устройств. Для профилактики
электротравматизма широко применяются предостерегающие, за-
запрещающие, разрешающие и напоминающие плакаты.
Площадки, на которых производится наращивание электродов
электропечей, загрузка их электродной массой, должны быть дере-
деревянными или из других электроизоляционных материалов и не иметь
сквозных металлических конструкций. В районе деревянной пло-'
щадки не должно быть водоразборных кранов и любых других
трубопроводов, неисправность которых может привести к обливу
площадки и снижению ее электрической прочности.
Электроды, электрощит должны быть отделены друг от друга
изолирующими перегородками, исключающими возможность при-
прикосновения обслуживающего персонала одновременно к двум элек-
электродам.
На площадке обслуживания печи должна быть оборудована
световая сигнализация «печь включена», «печь отключена».
Работы с электродами на крыше руднотермических печей можно
выполнять только при выключенной печи.
Для внутреннего осмотра печей и при их ремонте необходимо
применять электролампы напряжением менее 12 В.
274

Взрывобезопасность. Природный газ применяется в качестве
топлива и обладает ухудшающим и токсичным свойствами. Допу-
Допустимая норма содержания природного газа в воздухе рабочих поме-
помещений не должна превышать 300 мг/м8 (в пересчете на углерод).
Природный газ, кроме ухудшающих свойств, взрывоопасен.
В связи с возможностью взрыва газовоздушной смеси техникой
безопасности ставится задача — предельно уменьшить его разруши-
разрушительные последствия. Для этого в печах и топках, боровах должны
предусматриваться искусственно ослабленные места — взрывные
клапаны.
Поверхность взрывных клапанов не регламентируется, однако
минимальная их площадь должна быть не менее 0,05 м2.
Взрывные клапаны должны срабатывать при повышении рабо-
рабочего давления не более чем в 1,5—2 раза и располагаться в местах,
исключающих поражение обслуживающего персонала и поврежде-
повреждение оборудования.
Печи должны быть оборудованы приборами для контроля за
горением (ЗЗУ), за соотношением газ/воздух (первичный), за раз-
разрежением (давлением), за температурой в топочном пространстве
и газовом тракте, а также за системой автоматической остановки
дутьевых вентиляторов и отсечкой топливного газа при аварийной
остановке дымососа.
Безопасность от радиоактивного излучения. Радиоактивные изо-
изотопы используются для определения уровня фосфорита в шахтно-
щелевых печах, для контроля за состоянием футеровки руднотер-
мических печей.
Установка и эксплуатация приборов с источниками радиоактив-
радиоактивного излучения должна производиться в соответствии с санитарными
правилами работы с радиоактивными веществами и источниками
ионизирующих излучений.
Безопасность от теплового излучения. Большинство выгружае-
выгружаемых из печи целевых продуктов и отходов имеют высокую темпе-
температуру и являются источниками сильного теплового излучения.
Под феррофосфорными летками в перерывах между их выпусками
должен быть установлен ковш или предусмотрен аварийный желоб
с выпуском феррофосфора в аварийную емкость.
Под шлаковыми летками, при периодическом сливе шлака в шла-
ковозы, в перерывах между сливами необходимо иметь шлаковозы.
гВо избежание выхода феррофосфора через шлаковые летки, не-
необходимо сливать его через установленные промежутки времени.
При появлении вспышек в грануляционной воронке следует про-
провести слив феррофосфора раньше времени. Пребывание вблизи от
грануляционной воронки должно быть ограничено только абсолютно
необходимым временем.
При сливе феррофосфора и его разливке в опоки, а также при
сливе шлака обязательно следует носить защитные очки. Кроме
того, рабочий, занятый работой непосредственно на летке, должен
быть оснащен защитным шлемом, рукавицами, очками, щитком для
лица, кожанным фартуком.
275

При сливе феррофосфора нужно следить, чтобы он ни в коем
случае не вступал в контакт с водой. Особенно опасно попадание
воды, охлаждающей раму шлаковых леток, в лоток для стекания
феррофосфора. Во избежание этого применяются специальные щитки.
Блоки, образующие летку для слива феррофосфора, нужно ре-
регулярно проверять на наличие износа и как можно скорее заменять
новыми. Между самой глубокой точкой отверстия летки и нижней
кромки блока углеродистый материал должен быть доброкачествен-
доброкачественным на расстоянии не менее 100 мм во избежание попадания фосфора
в чашу, куда стекает вода из системы охлаждения печи.
Пожарная безопасность. Помещения, в которых установлены
фосфорные электропечи, являются наиболее пожароопасными, по-
поэтому они обеспечиваются средствами пожаротушения (ведра, ло-
лопаты, ящики с песком, огнетушители, кошма) в соответствии с дей-
действующими «Нормами первичных средств пожаротушения для про-
производственных, складских, общественных и жилых зданий», утвер-
утвержденными 4 февраля 1950 г. ГУ ПО МВД СССР.
Тушение горячего фосфора и фосфорного шлама должно осуще-
осуществляться песком, пеной, гранулированным шлаком, навесной струей
воды (исключая разбрызгивание фосфора и фосфорного шлама,
которые способствуют возникновению новых очагов горения). Для
облегчения работ по ликвидации возникшего пожара необходим
свободный доступ к местам расположения пожарного инвентаря,
которым пользуются до приезда пожарной команды. Поэтому не
разрешается загромождать проходы между аппаратами, подходы
к лестницам и дверям посторонними предметами.
Ванны для тушения одежды, в случае ее воспламенения, должны
быть всегда наполнены водой питьевого качества.
Оградительная техника. Все открытые вращающиеся и движу-
движущиеся части механизмов печей, также как зубчатые колеса, шестерни,
редукторы, шкивы, ременные, цепные и другие передачи, валы,
муфты и прочие устройства, могущие нанести работающему травму,
должны быть ограждены, если они расположены на высоте менее
2 м до уровня пола или рабочей площадки.
Для предохранения от падения противовесов, плохо закреплен-
закрепленных подшипников, блоков и других деталей они должны быть тща-
тщательно огорожены.
Все находящиеся на высоте детали должны быть хорошо закреп-
закреплены и за ними установлено постоянное наблюдение.
Запрещается производить ремонт, смазку и чистку оборудова-
оборудования с движущимися частями до их остановки.
В печах химических производств участвуют и получаются вред-
вредные вещества. Однако причины возникновения опасностей выделения
вредностей хорошо известны, а главное, разработаны проверенные
на практике способы их предотвращения и ликвидации. Необходимо
только знать соответствующие технологические регламенты, ин-
инструкции по технике безопасности, аварийные инструкции и точно
их соблюдать, тогда работа будет безопасной и безвредной.
276

ЛИТЕРАТУРА
1. Глинков М. А. Основы общей теории печей. М.: Металлургия, 1962. 576 с.
2. Глинков М. А., Глинков Г. М. Общая теория печей. М.: Металлургия, 1978
264 с.
3. Диомедовский Д. А. Металлургические печи цветной металлургии. М : Метал-
Металлургия, 1970. 702 с.
4. Тринкс В., Моугиней М. Г. Промышленные печи. М.: Металлургия, 1966. 500 с.
5. Гюнтер, Рудольф. Ванные стекловаренные печи. М.: Госстройиздат, 1958
251 с.
6. Кривандин В. А., Марков Б. Я. Металлургические печи. М.: Металлургия,
1977. 466 с.
7. Электрошлаковые печи/Под ред. Б. Е. Патона. Киев: Наукова Думка, 1976.
416 с.
8. Тайц М. /О., Розенгарт Ю. И. Методические нагревательные печи. М.: Метал-
лургиздат, 1964. 548 с.
9. Ходоров Е. Я. Печи цементной промышленности. М.: Стройиздат, 1968. 456 с.
10. Пуговкин А. У. Рециркуляционные пламенные печи. 2-е изд. М.: Машинострое-
Машиностроение, 1975. 200 с.
11. Линчевский В. Я. Нагревательные печи. М.: Металлургиздат, 1948. 691 с.
12. Шумаев Ф. Г., Маклюков Я. Я. Промышленные печи хлебопекарного и конди-
кондитерского производства. М.: Пищепромиздат, 1957. 354 с.
13. Мамыкин П. С, Левченко П. В., Стрелов К. К. Печи и сушила огнеупорных
заводов. Свердловск: Металлургиздат, 1963. 472 с.
14. Мариенбах Я- М. Печи в литейном производстве. М.: Машиностроение, 1964.
256 с.
15. Гинзбург Д. Д., Деликишин С. Я. и др. Печи и сушила силикатной промышлен-
промышленности. М.: Госстройиздат, 1963. 343 с.
16. Свенчанский А. Д. Электрические промышленные печи. Ч. 1. М.: Энергия, 1975.
384 с.
17. Свенчанский А. Д., Смелянский М. Я- Электрические промышленные печи. М.:
Энергия, 1970. 258 с.
18. Энгельс Ф. Анти-Дюринг. М.: Госполитиздат, 1969. 483 с.
19. Терновская А. Н., Коренберг Я. Г. Обжиг серного колчедана в кипящем слое.
М.: Химия, 1971. 198 с.
20. Чалых Е. Ф. Технология углеграфитовых материалов. М.: Металлургия, 1963.
290 с.
21. Расчеты по технологии неорганических веществ/Под ред. Дыбиной П. В. М.:
Высшая школа, 1967. 524 с.
22. Антонов В. Я., Лапидус А. С. Производство ацетелена. М.: Химия, 1970. 250 с.
23. Исламов М. Ш. Печи химической промышленности. Изд. 2-е. Л.: Химия, 1975.
432 с.
24. Гинзбург Л. С. Теплофизические основы процесса выпечки. М.: Пищепромиздат,
1955. 456 с.
25. Михалев А. А., Ицкович Я. Ш. Расчет и проектирование хлебопекарных печей.
М.: Пищевая промышленность, 1964. 558 с.
26. Апариси Р. Р., Тепляков Д. И. — В кн.: Солнечные печи. Труды научно-техни-
научно-технической конференции по гелиотехнике. Ереван, 1959, с. 94.
27. Никольский Л. Е., Смоляренко В. Д., Кузнецов Л. М. Тепловая работа дуговых
сталеплавильных печей. М.: Металлургия, 1981. 320 с.
28. Померанцев В. В., Арефьев К. М., Ахмедов Д. Б. и др. Основы практической
теории горения. Л.: Энергия, 1973. 246 с.
29. Кайбичева Ф. Я. Футеровка электропечей. М.: Металлургия, 1975. 280 с.
30. Ратников В. Ф. Изв. вузов. Черная металлургия, 1962, № 2, с. 253—256.
31. Огнеупоры и футеровки: Пер. с японского. М.: Металлургия, 1976. 416 с.
32. Шубин В. И. Футеровка цементных печей. М.: Стройиздат, 1975. 184 с.
33. Егоров А. В., Моржин А. Ф. Электрические печи. М.: Металлургия, 1975. 352 с.
34. Исламов М. Ш. Проектирование топок специального назначения. Л.: Энергия,
1982. 168 с.
277

СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие 3
Введение 4
Раздел I. Системная теория промышленных печей 5
Глава 1. Функционирующая печь как химико-термическая система .... 7
Глава 2. Классификация печей 12
Глава 3. Печные процессы 15
Термотехнологические процессы 16
Теплотехнические процессы 51
Механические процессы 67
Глава 4. Печная среда 75
Газовая фаза печной среды 75
Жидкая фаза печной среды 80
Твердая фаза печной среды 83
Глава 5. Футеровка печей 84
Общие сведения 84
Функции футеровки 87
Стойкость футеровки 92
Глава 6. Режимы функционирования печной системы 112
Глава 7. Пути интенсификации печных комплексов 119
Оптимизация печных процессов 119
Основные направления повышения экономической эффективности печ-
печных комплексов 122
Печные вторичные энергоресурсы и способы их использования .... 124
Раздел II. Разработка печных комплексов 126
Глава 8. Принципы исследования печей 126
Глава 9. Проектирование печных комплексов 133
Общие сведения 133
Выбор конструктивного типа печи 136
Материальный баланс печного процесса 137
Проектирование теплотехнических процессов 139
Гидрогазодинамические расчеты 181
Проектирование футеровки печи 184
Проектирование средств обеспечения печного процесса 197
Автоматизация и контроль получения теплоносителя в пламенных печах
и в отдельно стоящих топках 219
Глава 10. Конструирование печей 227
Общие сведения 227
Конструирование футеровки печей 229
Конструирование кожухов и каркасов печей 246
Конструирование фундаментов печей 252
Конструирование вспомогательных устройств . . . 254
Раздел III. Эксплуатация печных комплексов и техника безопасности 255
Глава 11. Эксплуатация печных комплексов 255
Пуск печного комплекса 255
Осуществление основных печных процессов 256
Эксплуатация сжигательных устройств 259
Остановка печного комплекса 265
Эксплуатация футеровки 266
Глава 12. Техника безопасности и охрана труда 268
Литература 277

ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ
ИЗДАНИЕ
МАНСУР ШАИХОВИЧ ИСЛАМОВ
ПРОЕКТИРОВАНИЕ
И ЭКСПЛУАТАЦИЯ
ПРОМЫШЛЕННЫХ
ПЕЧЕЙ
Редактор Ю. К. Кузнецов
Техн. редактор Л. Ю. Лингва
Переплет художника Ю. Б. Осенчакова
Корректор Л. С. Лазоренко
ИБ № 1826
Сдано в набор 16.10.85. Подписано в печать 20.02.86. М-33735.
Формат бумаги 60Х 90Vie- Бумага тип. № 1. Гарнитура литературная.
Высокая печать. Усл. печ. л. 17,5.Усл. кр.-отт. 17,5. Уч.-изд. л. 20,8.
Тираж 4900 экз. Зак. 261. Цена 1 р. 40 к. Изд. № 2738
Ордена «Знак Почета» издательство «Химия». Ленинградское отделе-
отделение. 191186, г. Ленинград, Д-186, Невский пр., 28.
Ленинградская типография № 6 ордена Трудового Красного Знамени
Ленинградского объединения «Техническая книга» им. Евгении Соко-
Соколовой Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли. 193144,
г. Ленинград, ул. Моисеенко, 10.