Сжатый воздух в металлургии. Сжатый воздух как он есть…

Сжатый воздух в металлургии

До сих пор мы рассматривали применение сжатого воздуха для совершения механической работы, получения и переработки информации.

В металлургии сжатый воздух выполняет свою самую древнюю функцию участвует в технологических процессах в качестве реагента, содержащегокислород. Главная функция сжатого воздуха в металлургии — дутье, т.е. подача сжатого воздуха в самые различные производственные агрегаты — домны, мартены, конвертеры. Дутье является необходимым фактором технологических процессов в этих агрегатах, так как без воздуха, а точнее без кислорода, нет горения.

Первый из этих процессов — обогащение руды, т.е. повышение содержания железа или другого металла и понижение содержания вредных примесей. Один из способов обогащения — флотация. Ее осуществляют в специальных ваннах, куда подают тонко измельченную руду вместе с водой — пульпу. Через эту пульпу продувают сжатый воздух. Пенная флотация основана на том, что одни минералы не смачиваются водой, прилипают к пузырькам воздуха и поднимаются, а другие минералы смачиваются водой и остаются в пульпе. В результате частицы металла всплывают на поверхность, а пустая порода оседает на дне ванны.

В пневматических флотационных машинах сжатый воздух подается по трубам под небольшим давлением. Флотацию широко используют для обогащения руд цветных металлов, где содержание основного компонента низкое. В железных рудах содержание основного компонента гораздо выше, но и их приходится обогащать. В черной металлургии флотацию применяют для обогащения марганцевых руд и железорудных концентратов, содержащих 70-72 % железа.

Следующий металлургический процесс — агломерация т.е. окомкование мелких и пылеватых руд. Для этого пылеватую руду спекают на агломерационной машине. Агломерационная машина представляет собой металлический конвейер, каждое звено которого выполнено в виде решетки. На этот конвейер из бункера подают увлажненную мелкую руду, смешанную с небольшим количеством топлива — кокса. Конвейер проходит над мощными вентиляторами, которые просасывают воздух сквозь слой смеси руды с коксом. Кокс начинает гореть, руда разогревается до высокой температуры и из мелкой превращается в прочную пористую массу — агломерат. Домна, в которой используют агломерат, дает больше чугуна, чем домна без его применения.

Железо в руде находится в форме окислов. Целью доменного процесса является освобождение железа от связанного с ним кислорода — восстановление. Загрузочный аппарат засыпает в доменную печь в определенной пропорции рудные материалы, топливо (кокс) и флюсы. Загружают отдельные виды сырья слоями, чтобы увеличить поверхность их соприкосновения, на которой происходят химические реакции.

В нижнюю часть домны, в ее горн, через специальные отверстия — фурмы вдувают горячий воздух. Кислород, содержащийся в воздухе, взаимодействует с углеродом кокса, в результате чего образуется углекислый газ СО2. Он поднимается выше, проходит через кокс, вступает с ним в реакцию, продуктом которой является окись углерода СО. Поднимаясь выше, она отнимает у окислов железа содержащихся в руде, кислород и связывает его. Освободившееся железо вступает во взаимодействие с углеродом образуется сплав — чугун.

Для подачи дутья чаще всего используют центробежные воздуходувные машины с приводом от паровой турбины. На одну тонну чугуна расходуют 2500 — 3500 м воздуха, т.е. производительность воздуходувной машины составляет до 8000 м 3 /мин. Такое количество холодного воздуха охлаждало бы доменную печь и увеличивало бы расход топлива, поэтому перед подачей в домну воздух предварительно нагревают до 1100 — 1300 °С в воздухонагревателях — кауперах. Их располагают рядом с доменной печью.

Кауперы представляют собой закрытые металлическим кожухом башни высотой до 50 м и диаметром до 9 м. Внутри они разделены на две части: камеру сгорания и часть, заполненную насадкой из огнеупорного материала. В камере сгорания сжигают топливо. Продукты сгорания, проходя через насадку, отдают ей свое тепло и раскаляют ее. Когда насадка нагревается до высокой температуры, подачу топлива прекращают. После этого мощными воздуходувными машинами нагнетают в воздухонагреватель холодный воздух. Проходя через раскаленную насадку, воздух нагревается, и его направляют к кольцевому воздухопроводу, опоясывающему домну — фурменному поясу. Отсюда через фурмы воздух под давлением 0,35 — 0,4 МПа равномерно вдувается в домну.

Для нагрева насадки требуется определенное время. Поэтому для бесперебойного снабжения домны горячим дутьем возле нее устанавливают несколько воздухонагревателей. Одни из них нагреваются, а другие нагревают воздух. Заметим, что в воздухе содержится 1/5 кислорода и 4/5 азота, причем азот ни в каких химических реакциях не участвует, однако на его нагрев тратится тепло. Гораздо выгоднее осуществлять дутье в доменном процессе воздухом, обогащенным кислородом, или чистым кислородом.

Применение кислородного дутья упрощает доменный процесс, позволяет уменьшить его расход на единицу топлива. Это дает возможность уменьшить размеры и мощность воздуходувных установок, воздухонагревателей и трубопроводов, высоту доменных печей.

На целесообразность обогащения дутья кислородом указывал еще Д.И. Менделеев. Однако практическая реализация кислородного дутья стала возможной лишь в 30 — 40-х годах XX в., когда были созданы достаточно мощные машины для разделения воздуха на кислород и азот в больших количествах. Заслуга создания отечественной кислородной промышленности принадлежит академику П.Л. Капице.

Читать еще:  Подробный мк по пошиву интерьерной куклы снежки. Текстильная кукла снежка

Не меньшую роль играет сжатый воздух при выплавке стали. Если процесс выплавки чугуна — восстановительный, то выплавка стали из чугуна и металлического лома — окислительный процесс. При выплавке стали удаляются примеси — углерод, кремний, марганец, которые окисляются. А для окисления нужен кислород.

Бессемером и Томасом был разработан быстрый и эффективный способ «варки» стали — конвертерный. Он заключается в том, что расплавленный жидкий чугун продувают сжатым воздухом, и содержащийся в нем кислород соединяется с углеродом, кремнием и марганцем.

Конвертер представляет собой стальной сосуд грушевидной формы, сужающийся кверху. Изнутри он выложен огнеупорным кирпичом. В днище конвертера имеются отверстия, через которые подают сжатый воздух под большим давлением. В конвертер заливают расплавленный чугун, а затем продувают его снизу сжатым воздухом. В результате углерод быстро выгорает, и сплав почти полностью обезуглероживается — образуется сталь. При соединении кислорода с кремнием и марганцем выделяется тепло. Это избавляет от необходимости тратить топливо в конвертерном процессе.

Д.И. Менделеев называл бессемеровские конвертеры печами без топлива. Однако конвертерный способ при использовании продувки чугуна сжатым воздухом имел и ряд недостатков. При продувке металл насыщался азотом, содержащимся в воздухе. Это повышало хрупкость стали и ее склонность к старению. Кислород воздуха не затрагивал вредные примеси — серу и фосфор. При бессемеровском способе можно было применять не всякий чугун, а только содержащий кремний и марганец, которые при окислении выделяют большое количество тепла. Поэтому железный лом конвертерным способом перерабатывать было нельзя, а можно было использовать только жидкий чугун. Гораздо рациональнее использовать для продувки в конвертерном процессе не сжатый воздух, а чистый кислород. Однако во времена Бессемера его еще не научились получать из воздуха в больших количествах.

По всем этим причинам конвертерный способ выплавки стали надолго уступил место мартеновскому способу, который позволяет перерабатывать не только чугун, но и железный лом.

Топливом для мартеновской печи служит мазут или смесь коксового газа, получаемого в коксовых батареях, и доменно-колосникового газа. И эта смесь, и воздух перед подачей в мартен нагреваются в регенераторах. Отличие регенератора от воздухонагревателя доменной печи заключается в том, что для нагрева воздуха в воздухонагревателе сжигается топливо, а в регенераторе используется тепло, выносимое из мартеновской печи раскаленными продуктами сгорания топлива, т.е. осуществляется регенерация тепла.

Регенератор представляет собой большую камеру, выполненную из огнеупорного материала и заполненную ячейками из огнеупорного кирпича — насадкой. У каждой мартеновской печи две пары регенераторов для нагрева газа и воздуха. Пока одна нагретая пара отдает тепло холодным газу и воздуху и постепенно остывает, насадка другой пары регенераторов, через которые пропускаются уходящие из мартеновской печи продукты сгорания, нагре­вается ими. Когда насадка нагревается до определенной температуры, происходит автоматическое переключение направления потоков газа и воздуха. Нагретые регенераторы начинают работать — отдавать тепло газу и воздуху, а остывшие останавливают на нагрев. Эти переключения производят через ка­ждые 15 — 20 мин. Топливо подается в мартеновскую печь всегда с избытком воздуха, по­этому в ней всегда имеется окислительная среда. Уже в процессе загрузки чугуна и лома начинается окисление примесей.

Производительность мартенов составляет 100 т стали в час. Применение обогащенного кислородом воздуха и чистого кислорода интенсифицирует процесс выплавки стали в мартеновских печах так же, как и выплавки чугуна в домнах.

Однако прирост производства стали во всех странах в наше время происходит за счет строительства не мартеновских цехов, а кислородно-конвертерных. Кислородный конвертер устроен так же, как и бессемеровский. Отличие его от бессемеровского в том, что дно у него цельносварное, а кислород подается не снизу, а сверху, под высоким давлением (0,9 — 1,4 МПа). Корпус и днище кислородного конвертера облицованы огнеупорными материалами. Струя подаваемого кислорода внедряется в жидкий металл и вступает в реакцию с примесями чугуна. В течение первых 5-10 мин окисляются кремний и марганец. В результате реакции окисления выделяется тепло, и температура металла в конвертере поднимается до 1400 — 1450 °С После этого происходит быстрое окисление углерода — он выгорает. Кислород продолжают вдувать до тех пор, пока содержание углерода не снизится до 2%. При этом металл разогревается до 1600 °С Реакции окисления, прохо­дящие в конвертере, дают столько тепла, что его становится достаточно не только для нагрева жидкого чугуна, но и для расплавления железного лома.

Кислородно-конвертерный способ по сравнению с мартеновским и электросталеплавильным имеет более высокую производительность — до 400 — 500 т в час. К тому же он свободен от недостатков бессемеровского процесса и годится для любых видов чугуна и железного лома.

Конвертерный способ применяется не только при выплавке стали, но и при выплавке меди в цветной металлургии.

Области применения сжатого воздуха и энергоемкость его производства

Самым большим среди отраслей потребителем воздуха является черная металлургия. В ней сосредоточены наиболее крупные технологические блоки, использующие сжатый воздух: доменные печи, конверторы, мартеновские печи, прокатные станы, вагранки. В черной металлургии сосредоточены и самые крупные компрессорные агрегаты. Такие ТКУ, как К-5000 и К-7000 созданы специально для воздухоснабжения доменных печей.

В этой отрасли наибольший процент турбокомпрессоров из общего количества компрессорных машин, а доля поршневых машин составляет примерно 20 % и имеется тенденция к ее уменьшению. Доля энергозатрат на производство сжатого воздуха здесь составляет 5-7 % от общего расхода энергии на производство основного продукта.

Читать еще:  Рассказ бежин луг полностью. Тургенев бежин луг

Сопоставимой по масштабам потребления воздуха является цветная металлургия. Здесь нет таких крупных единичных потребителей воздуха, как доменные печи, но требуется большое разнообразие нагнетателей с различными давлениями нагнетания. Доля энергопотребления на сжатие воздуха в отрасли колеблется от 8-10 % до 60 % в шахтных выработках и рудниках.

Крупным потребителем сжатого воздуха является машиностроение. Большое разнообразие мелких потребителей, индивидуализация режимов их работы определяют сложные графики воздухопотребления со значительной суточной и недельной неравномерностью. На предприятиях этой отрасли расход электроэнергии на привод компрессоров достигает 20-25 % общего энергопотребления.

Потребление сжатого воздуха в химической промышленности отличается большим разнообразием требуемых параметров, качества, масштабов и режимов подачи. Здесь в равной степени находят применение поршневые, винтовые и турбокомпрессорные установки. Воздухоснабжение в этой отрасли может осуществляться как от центральной станции, так и от отдельных установок, входящих в состав технологического оборудования.

Очень крупными потребителями сжатого воздуха являются горнодобывающая и угольная промышленность. Доля энергопотребления систем воздухоснабжения в этой отрасли достигает примерно 25 % общего расхода энергии в ней.

В классификации отраслей промышленности особое место занимают воздухоразделительные установки. Они могут быть как самостоятельными предприятиями, так и подотраслью металлургии, химической промышленности и т.п. Здесь на сжатие воздуха тратится от 70 до 90 % общего энергопотребления.

Классификация потребителей

Практически на любом предприятии для тех или иных целей нужен сжатый воздух. Он используется:

а) для привода различных пневмомеханизмов, инструментов, пневмотранспорта и т.п., т.е. для получения механической энергии;

б) для получения газов, из которых состоит воздух (азот, кислород, аргон, и др. инертные газы);

в) для технологических нужд – при проведении реакций окисления, горении, сушке и т.п.;

г) для пневматических систем измерения, контроля и регулирования на взрывоопасных производствах (химическая промышленность, горнодобывающая и др.).

Воздух для технологических целей не является энергоносителем. Он является исходным продуктом (или компонентом) для получения новых веществ (продуктов). Потребителями сжатого воздуха как энергоносителя (пневмоприемниками) являются механизмы и устройства, использующие воздух для различных производственных операций и технологических процессов.

По способу преобразования энергии сжатого воздуха все пневмопотребители можно разбить на три группы.

1-я группа. Устройства для преобразования потенциальной энергии сжатого воздуха в механическую работу:

а) с продольно-возвратным движением рабочего органа. Это молоты, отбойные и клепальные молотки, трамбовки вибраторы, подъемники, толкатели, долбежные машины и т.п.;

б) с вращательным движением рабочего органа. Это устройства с турбинным или поршневым приводом: сверлильные, шлифовальные (фортуны), отрезные полировальные, винтозавертывающие и другие машины.

2-я группа. Устройства для преобразования потенциальной энергии в кинетическую. Это различные обдувные устройства (песко- и дробеструйные установки), эжекторы, форсунки, краскораспылители, пульверизаторы, пневмотранспортные установки и др.

3-я группа. Устройства, использующие сжатый воздух без преобразования его энергии. Это различные пневматические приспособления: поддержки, патроны, зажимы, устройства регулирования и автоматизации, мерные устройства и т.д.

По назначению и способу применения различают две основные группы пневмоприемников:

К пневмоинструментам относятся устройства, предназначенные для механизации производственных процессов (замена ручного труда). Это переносной агрегат, приводимый в действие пневмодвигателем. Пневмоинструменты отличаются кратковременными режимами работы.

Пневмооборудование – это, как правило, стационарные установки с длительными режимами работы.

Параметры потребляемого сжатого воздуха

Давление.

Анализ паспортных данных различных промышленных пневмоприемников показывает, что необходимое давление сжатого воздуха перед ними не превышает 0,7-0,8 МПа. В большинстве случаев оно требуется еще меньше – 0,4-0,7 МПа.

Понижение давления (ниже паспортного) ведет к понижению мощности и производительности пневмомеханизма. При этом из-за нерасчетных режимов работы, как правило, возрастают удельные расходы воздуха.

Повышение давления воздуха (сверх необходимого) влечет увеличение утечек, которые и так часто выше допустимых. Так, вместо обычных потерь в 20-30 %, при превышении давления они доходят до 50-60 % от общего расхода сжатого воздуха.

Если пневмосеть находится в нормальном состоянии, то потери давления из-за гидравлического сопротивления не превышают 0,05 МПа, даже для самых удаленных точек (норма 0,01-0,03 МПа ). Таким образом, в системах, не оснащенных системой осушки воздуха, давление развиваемое компрессором не должно превышать требуемое пневмоприемником более чем на 0,05 МПа. Если такого давления недостаточно, это означает, что имеется:

— чрезмерный износ оборудования;

— чрезмерные потери давления в распределительных устройствах, шлангах, местных сопротивлениях;

— чрезмерные утечки (в стыках, шлангах, запорных устройствах пневмомеханизмов и т.п.).

Выбор компрессоров для КС с завышенными развиваемыми давлениями приводит:

— для поршневых компрессоров (ПК) – к недоиспользованию мощности;

— для центробежных компрессоров (ЦБК) – к снижению экономичности, так как компрессор в этом случае работает в нерасчетном режиме с более низкими значениями КПД.

Температура воздуха.

Температура воздуха на входе в пневмоприемник оказывает сильное влияние на его потребление. Работоспособность 1 кг сжатого воздуха при его адиабатном расширении в пневмомеханизме от давления P1 до давления P2 определяется выражением, кДж/кг:

, (3.1)

где – изобарная теплоемкость воздуха, кДж/(кг×К); Т1 – температура сжатого воздуха на входе в механизм, К; Р1, Р2 – давления воздуха на входе и выходе пневмомеханизма соответственно, МПа.

Таким образом, за счет подогрева сжатого воздуха перед его использованием можно снизить его потребление при неизменном количестве совершаемой работы.

На практике в большинстве случаев воздух в концевом воздухоохладителе КУ охлаждается до температуры 40-45 °С, что недостаточно для конденсации влаги и масла и в то же время этим существенно снижается его работоспособность. Это указывает на необходимость рассмотрения целесообразности использования концевого воздухоохладителя в каждом конкретном случае.

Читать еще:  Как причащаться в пасхальные дни.

Как показывают расчеты, температуру сжатого воздуха можно доводить до 60-70 °С, при этом температура ручного инструмента не превысит значений 35-40 °С, а экономия электроэнергии при этом составит 10-15 % по сравнению с исходным вариантом.

Влагосодержание.

Вопрос о выборе оптимального влагосодержания должен решаться на основании технико-экономического обоснования. От правильности решения этого вопроса зависит экономичность применения сжатого воздуха.

Если воздух используется для химических реакций, для транспортирования гигроскопических веществ и т.п., то его влагосодержание должно удовлетворять специфическим требованиям таких процессов, оговариваемых в технологическом регламенте. Так, например, в автомобилестроении в соответствии с ГОСТ 9.010-80 «Воздух, сжатый для распыления лакокрасочных материалов» влагосодержание воздуха с давлением 0,6 МПа ограничено значением 1,6 г/м 3 .

К сжатому воздуху для питания пневматических систем и устройств, работающих при давлении до 2,5 МПа, требования к влагосодержанию оговариваются в ГОСТ 17433-80 «Сжатый воздух. Классы загрязнения». В пересчете на условия tв=20°С и Pв=0,9 МПа устанавливается следующее влагосодержание: для классов загрязненности 0 и 1 dв£0,156 г/кг, а для классов 3, 5, 7, 9, 11 и 13 dв£0,9 г/кг. Для остальных классов влагосодержание (точка росы) не регламентируется.

При применении сжатого воздуха в машиностроительной, металлургической и горнодобывающей промышленности важно, чтобы отсутствовала конденсация водяного пара во время транспортировки сжатого воздуха от компрессорной станции до потребляющего оборудования. То есть необходимо, чтобы возможная минимальная температура воздуха в пневмосети всегда была выше точки росы осушенного воздуха.

Считается экономически приемлемой точка росы сжатого воздуха 2-3°С (под рабочим давлением). Именно такая степень осушки принята повсеместно на большинстве предприятий горнодобывающей промышленности, машиностроения и др.

Загрязнение воздуха.

Опыт эксплуатации пневмооборудования, инструмента, пневматических приводов и пневматических систем управления показал, что повышение надежности и долговечности их работы невозможно без качественной подготовки сжимаемого воздуха, очистки его от загрязнений.

Загрязнения, содержащиеся в воздухе, могут оказывать физическое и химическое воздействие на пневматические устройства в виде:

1) закупорки отверстий и сопел влагой, льдом и механическими частицами;

2) смывания смазки, коррозии металлических и разрушения резиновых деталей;

3) повреждения прокладок и рабочих поверхностей клапанов, мембран, золотников;

4) износы и заклинивания трущихся поверхностей.

Идеальным случаем является полное удаление загрязнений сжатого воздуха, что в большинстве случаев экономически нецелесообразно.

Требования к очистке воздуха зависят от эксплуатационных условий. Необходимая степень очистки определяется опытным путем, обобщается и гостируется.

Контрольные вопросы

1. Какие отрасли промышленности являются наиболее крупными потребителями сжатого воздуха?

2. Для каких целей используется сжатый воздух?

3. Какими достоинствами обладает сжатый воздух как энергоноситель?

4. Какие параметры характеризуют сжатый воздух, используемый в качестве энергоносителя?

5. К чему приводит превышение требуемых значений давления воздуха в системе?

6. К чему приводит заниженное давление воздуха в коллекторе потребителя?

7. Какие последствия могут возникнуть при использовании воздуха с повышенной влажностью?

8. Какие виды воздействий на элементы систем воздухоснабжения оказывают загрязнения сжатого воздуха?

Роль компрессорного оборудования в металлургической промышленности

Компрессорное оборудование применяется в различных отраслях промышленности, в том числе и в металлургической. Основным функциональным предназначением компрессора в металлургии является нагнетание сжатого воздуха в конвертеры, доменные и мартеновские печи, для обеспечения непрерывного и полноценного процесса горения.

Разумеется, кроме этого, компрессорное оборудование задействовано во множестве других металлургических процессов и этапов. Сюда также можно отнести процесс агломерации (окомковывание различных руд, которые пребывают в состоянии мелких частиц или пыли), процесс флотации (уменьшение содержания в металле бесполезных примесей), также производство ферросплавов, выплавка цветных металлов, предварительный обжиг сырья и множество других процессов, где просто невозможно обойтись без компрессоров и компрессорного оборудования различной мощности и производительности. Понятно, что выбирая компрессор для того или иного процесса на металлургическом предприятии, любой руководитель отдает себе отчет, для каких условий эксплуатации и нагрузок это оборудование предназначается, поэтому приобретать нужно только надежную и проверенную технику у зарекомендовавших себя на рынке производителей.

Итак, давайте рассмотрим более детально основные процессы в металлургии, где задействовано компрессорное оборудование.

При агломерации в специальную агломерационную машину засыпается смесь пылеватой руды с коксом и через эту смесь компрессорами, одновременно с нагреванием под большим давлением, продувается воздух, в результате чего образуется цельный пористый материал, пригодный для дальнейшей обработки.

Процесс флотации представляет собой продувку сжатым воздухом смеси руды с водой, в результате чего вредные примеси оседают на дно, а молекулы воды, соединенные с молекулами металла, поднимаются вверх, и по завершению данного процесса содержание полезного компонента в материале значительно увеличивается.

Также стоит упомянуть о выплавке стали в мартеновской печи. В данном процессе при помощи компрессоров происходит продувание сжатым воздухом жидкого чугуна, в результате чего последний освобождается от марганца, углерода и прочих ненужных примесей и превращается в сталь.

Можно было бы еще долго говорить о различных процессах в металлургии, где напрямую или косвенно задействованы компрессоры, но и так понятно, что без данного оборудования в металлургической промышленности обойтись нельзя никоим образом.

Источники:

http://studopedia.ru/3_52998_szhatiy-vozduh-v-metallurgii.html

http://infopedia.su/5x53cd.html

http://oborudka.ru/favorit71/28.html

Ссылка на основную публикацию
Статьи на тему:

Adblock
detector