Фурмы доменных печей и фурменные стоки

Фурмы доменных печей и фурменный инвентарь

Задачей доменной печи (ДП) является извлечение чугуна (жидкого железа) из кусковой железной руды, агломерата и/или окатышей, кокса и инжектируемого топлива. Эта цель достигается за счет прохождения подачу горячего обогащенного воздуха (горячего дутья) через рудно-коксовую шихту вниз во внутренней колонне доменной печи.Горячее дутье и вспомогательное топливо вдувают в доменную печь через фурмы, расположенные по периметру доменной печи.

В верхней зоне стенки горна доменной печи расположены отверстия для фурм, через которые в топку подается воздух горячего дутья. Рубашка печи в фурменной зоне содержит армированные сталью проемы, внутри которых установлены медные (Cu) охлаждаемые элементы, аналогичные показанным на рис. 1. Стальная арматура в рубашке называется держателями фурменных холодильников. Большой медный охладитель, установленный внутри обработанной внутренней поверхности держателя охладителя, называется фурменным охладителем. Медный охладитель, который фактически подает воздух горячего дутья в печь, называется фурмой. Он установлен внутри обработанной внутренней посадочной поверхности на фурменном охладителе. Нагнетательная трубка является частью воздухораспределительного трубопровода фурменного стока, который подает воздух горячего дутья из патрубка и сопрягается с фурмой, направляя воздух горячего дутья в топку. Стенки груди фурмы обычно изготавливаются из углеродистого кирпича, а охлаждение, как правило, внешнее с охлаждающими каналами с рубашкой на внешней стороне кожуха. Некоторые печи имеют внутренние доски в фурменном ящике между фурменными охладителями в качестве конструкции охлаждения фурменного ящика. На рис. 1 также показано расположение держателя фурменного охладителя, вставляемого в отверстие стальной оболочки, фурменного охладителя, вставляемого в держатель, и фурмы, вставляемой внутрь охладителя. Поверхности, где фурма и охладитель соприкасаются друг с другом, обработаны для обеспечения герметичности.

Рис. 1. Сборка фурмы доменной печи и паяльной трубы

В фурменной зоне горячее дутье проникает через фурмы в кокс, создавая зоны физического горения, называемые дорожками качения. Канал фурмы представляет собой своеобразную полость между носиком фурмы (концом паяльной трубки) и глушителем на дне ДП, по форме напоминающая загнутую вверх грушу. Горячий воздух поступает в ДП через нагнетательную трубку. Поток газа образует полость. Длина полости равна глубине дорожки качения. Глубина дорожки качения определяет размер и форму глушителя BF. Это влияет на поток газа и теплообмен. В канале углерод (C) в коксе и впрыскиваемом топливе вступает в реакцию с кислородом (O2) в несколько стадий, в результате чего образуется паровой газ, состоящий из CO, H2, N2 и незначительных количеств SiO, H2S, COS, Ar и т. д. Физическое тепло горячего дутья и окисление углерода являются основными источниками тепла в доменном процессе.

Воздух горячего дутья, подаваемый для процесса доменной печи, обеспечивается воздуходувками. Они вдувают атмосферный воздух в горячие печи, и при этом температура поднимается примерно до 200°С. Когда этот холодный воздух проходит через горячие печи, холодный воздух нагревается, и температура поднимается примерно до 1200°С. до 1250 град. С. Система продувки горячим воздухом состоит из 3-4 печей, работающих параллельно или в комбинации. Печи подают горячий воздух для дутья в круглую трубу большого диаметра, которая окружает доменную печь на уровне над кожухом. Труба суеты изнутри облицована огнеупором, чтобы изолировать и защитить внешнюю стальную оболочку от высокотемпературного воздуха внутри. Дымовая труба предназначена для распределения горячего дутья от горячих печей в подину доменной печи через ряд сопел, называемых фурмами BF. Основным оборудованием этого комплекта являются прямые трубки, нагнетательные трубки, охладители фурм и сами фурмы. Как фурмы, так и фурменные штоки являются неотъемлемыми компонентами системы горячего дутья доменной печи.

Акции Tuyere

Фурменные штоки соединяют фурменную трубу с фурмами. Назначение фурменных штоков – подача горячего дутья в доменную печь. Штоки фурмы обычно изготавливаются из листовой стали котлового качества/легированной и футеруются огнеупорным материалом, как правило, литейным. Каждый фурменный шток представляет собой узел гусиной шейки, компенсационного сильфона, соединительной трубы, колена, глазка, дутьевой трубы, крепежного устройства и натяжного устройства. Штанги фурмы адаптируются к относительным перемещениям между системой подачи горячего дутья и доменной печью. Все элементы фурменного штока обычно имеют фланцевое соединение. Паяльная трубка, которая соединяет систему горячего дутья с фурмой, обычно вставляется в обработанное сферическое гнездо в основании фурмы.

Основные детали фурменного штока жестко соединены полированными коническими поверхностями за счет последовательного плотного расположения следующей детали в предыдущей. Таким образом, плотно прилегающие конические поверхности обеспечивают герметичность соединения. Нарушение рабочего цикла нагрева, а также негерметичность одного из стыков фурменного штока приводит к прогоранию элементов конструкции и выходам из строя.

В современных печах каждый фурменный шток обычно имеет сдвоенный сильфон, и каждый узел сильфона изгибается примерно на +/- 3 градуса. Сферический наконечник паяльной трубки обеспечивает относительное перемещение паяльной трубки и фурмы. Форсунки обычно подходят для использования с различными типами впрыска топлива.

Штанги фурм обычно рассчитаны на длительный срок службы. Они адаптируются к относительным перемещениям между системой подачи горячего дутья и печью. Они рассчитаны на длительный срок службы и простоту в обращении.

Штанги фурмы, как правило, спроектированы таким образом, чтобы свести к минимуму количество соединений и изгибов для увеличения срока службы огнеупорной футеровки и минимизации потерь давления. Использование системы горизонтального соединения, соединяемой с помощью быстроразъемных конических клиньев, облегчает быстрое и легкое снятие паяльной трубки и колена. Фурменные стапели также имеют такие функции, как (i) регулировка возможных смещений каналов охлаждающих колец и фурм с их карданными шарнирами и (ii) регулировка в соответствии с изменяющимися параметрами горячего дутья.

К особенностям фурменного штока обычно относятся (i) сферическое огнеупорное соединение, (ii) сильфонный узел со сферическим подшипником, (iii) соединение фурмы для впрыска топлива, (iv) колено со смотровым люком, (v) сильфонный узел, связанный стяжками с сферические подшипники, (vi) горизонтальный фланец на колене для быстрой замены с помощью клиньев, (vii) физические упоры для ограничения движения до +/- 3 градусов и (viii) нижняя опора со сферическим огнеупорным соединением для обеспечения максимального движения.

В некоторых доменных печах носовая часть паяльной трубы охлаждается водой, хотя в большинстве печей это не так. Форсунка для впрыска топлива входит через стенку нагнетательной трубки и обычно выпускает топливо немного от центральной линии и примерно на 50 мм назад от носовой части нагнетательной трубки. Некоторые доменные печи оснащены системами двойного впрыска, которые имеют два отверстия в паяльной трубе для облегчения подачи нескольких фурменных топлив. В случае использования пылевидного угля в качестве фурменного топлива размещение впрыскивающей фурмы имеет более важное значение для предотвращения столкновения с внутренней частью фурмы и для лучшего сгорания угля.

Паяльная трубка плотно прилегает к фурме за счет натяжения уздечного стержня, соединяющего шток фурмы с кожухом пода. Пружина уздечки на конце стержня уздечки допускает ограниченное движение, когда паяльная трубка расширяется и сжимается при изменении температуры горячего дутья. Паяльная трубка имеет трубчатую форму и облицована огнеупорным материалом, чтобы ее поверхность не перегревалась.

Дутьевая трубка является составной частью системы горячего дутья доменной печи. Паяльная трубка, расположенная между нижней частью патрубка и фурмой, обычно состоит из двух частей, состоящих из колена и конической секции, и обычно имеет внешнюю стальную оболочку, футерованную двухкомпонентной огнеупорной системой. В идеальном случае паяльная трубка рассчитана на то, чтобы выдерживать прохождение обогащенной кислородом струи в течение длительного времени при температуре и давлении, превышающих 1150°C и 3,5 кг/кв.см соответственно. Рабочая среда и местоположение также усугубляют трагедию отказа паяльной трубки, поскольку отказы паяльной трубки часто бывают катастрофическими. Последствия неконтролируемых внезапных отказов паяльной трубы включают повышенную угрозу безопасности, повреждение имущества и производственные потери.

В задней части фурменного штока по средней линии паяльной трубки и фурмы имеется небольшое отверстие, через которое можно вставить стержень для очистки материала из паяльной трубки. Отверстие закрыто крышкой, которую можно открыть при необходимости, но в закрытом состоянии она газонепроницаема. В этом колпаке, называемом фурменным колпаком или калиткой, имеется застекленный глазок, который позволяет оператору осматривать внутреннюю часть печи непосредственно перед фурмой. Верхняя часть штока соединена шарнирным соединением с футерованным огнеупором патрубком гузнека, к которому он прижат проушинами и шпонками, входящими в гнезда подвесных стержней. Каждая гусиная шея, в свою очередь, соединена фланцами и болтами с горловиной, идущей радиально от внутреннего диаметра жерновной трубы. Труба дутья представляет собой большую круглую трубу с огнеупорной футеровкой и теплоизоляцией, которая окружает печь на уровне над кожухом и распределяет нагретое дутье из магистрали горячего дутья на каждое фурменное соединение. Общее расположение форсунки, фурменных штоков и паяльной трубки показано на рис. 2.

Рис. 2. Общее расположение форсунки, фурменного ложа и паяльной трубки

Фурмы и фурменные охладители

Фурмы - это небольшие трубы, которые позволяют горячему воздуху из трубы суеты поступать в доменную печь. Они представляют собой сопла специальной формы, через которые в доменную печь нагнетается дутье горячего воздуха. Они изготовлены из меди и обычно имеют водяное охлаждение, так как на них непосредственно воздействует температура печи. Они расположены по всему периметру доменной печи. В доменных печах используются четыре типа фурм. Это (i) однокамерные фурмы, (ii) двухкамерные фурмы, (iii) многокамерные фурмы и (iv) спиральные камерные фурмы. Двухкамерные фурмы являются наиболее широко используемыми фурмами.

Фурма, фурменный холодильник и дутьевая труба работают в самых тяжелых температурных условиях. Фурменный холодильник размещен в груди футеровки печи. Сопло соединяется с фурмой, которая уже находится на глубине от 250 до 350 мм внутри корпуса доменной печи.

Первые фурмы были использованы в 1740 году в доменной печи Невьянского завода. Использование фурм в доменной практике получило широкое распространение в начале ХХ века. С тех пор конструкция фурмы несколько изменилась, хотя технология ее изготовления постоянно совершенствовалась.

Фурмы изготовлены из меди. Ранее известные фурмы изготавливались из прессованных медных листов с толщиной стенки до 8 мм. В настоящее время фурмы доменных печей обычно изготавливают из центробежно-литой меди, что обеспечивает максимальный срок службы фурмы за счет высокой технологичности, обеспечивающей высочайшую однородность материала и отсутствие микропор. Однако этот способ несколько дороже, чем изготовление фурм методом вакуумного литья. Последний также иногда применяется при производстве фурм и имеет меньшую стоимость переработки, но возможна небольшая неоднородность материала. Так или иначе, литейный способ изготовления фурм почти вытеснил применение сварной конструкции фурм из-за меньшей эксплуатационной производительности, несмотря на меньшую себестоимость, связанную также с литьем полых медных фурменных охладителей. Охладитель фурмы также изготавливается литьем из меди (реже из бронзы). Он монтируется в груди футеровки печи и крепится через фланец с дополнительной приваркой к кожуху пода.

Фурменный охладитель и фурма имеют водяное охлаждение. На современных доменных печах, использующих температуру горячего дутья около 1200°С, водоводы корпуса фурмы рассчитаны на поддержание скорости воды выше 20 м/с. Водяные каналы носовой части фурмы спроектированы так, чтобы поддерживать скорость воды выше 28 м/с для улучшения скорости теплообмена. На рис. 3 показаны фурма и фурменный охладитель.

Рис. 3. Фурменный охладитель и фурменный охладитель

Фурма доменной печи охлаждается водой, подаваемой со скоростью 15 – 25 м3/час непосредственно на внутреннюю поверхность фурмы. Температура нагрева отводимой охлаждающей воды не превышать 15 град С. Давление охлаждающей воды, подаваемой на забой фурмы и фурменного охладителя, должно быть не более 5 кг/кв.см до 10 кг/кв.см. Использование меди (чистотой не менее 99,5% ), так как материал конструкции позволяет эффективно отводить тепло от конусного корпуса фурмы, работающей в экстремально жарких условиях.

Изготовленная преимущественно из литой меди, с водоохлаждаемыми каналами, фурма представляет собой устройство, позволяющее нагнетать нагретый воздух в канал горения доменной печи. среда, фурменная зона динамична и сложна, содержит дымовые газы, жидкие оксиды (шлаки), жидкое железо, кокс, пылевидный уголь, полукокс и температуры, часто превышающие 2200 град. еще предстоит разработать. Низкая надежность фурмы не является новым явлением.

Несмотря на то, что доменные печи являются доминирующим способом производства чугуна и после нескольких столетий развития, они по-прежнему подвержены отказам фурм. Выход из строя фурмы приводит к ситуации, которой все операторы стараются избегать. Обычно это нестабильность печи, увеличение затрат и расхода топлива, потеря производительности, а также повышенная безопасность и воздействие на окружающую среду.

Долговечность фурм доменной печи влияет на экономику доменного процесса. Недостаточная долговечность, с одной стороны, увеличивает стоимость самого фурменного материала, а с другой стороны, приводит к частым ремонтам и остановам и, как следствие, к снижению производительности доменной печи.

Надежность фурмы, признанная критически важным компонентом, часто рассматривается как ключевой показатель эффективности (KPI) в работе доменной печи. Обзор производительности фурм часто указывает на высокую частоту отказов и обнаруживает, что незапланированные отключения для замены фурм стали обычным делом.

При выходе из строя фурмы вода под высоким давлением, охлаждающая фурму, попадает в доменную печь. Это попадание воды запускает цепь событий, которые нарушают работу печи. Это включает в себя нестабильность печи, увеличение затрат на топливо и материалы, потерю производительности, а также повышенные риски для безопасности и окружающей среды. В крайнем случае отказ фурмы может привести к разрушению доменной печи с опасными последствиями для безопасности.

Первоначально, до появления водяного охлаждения, многие отказы фурм были связаны с «утюжением» фурм. С изобретением горячего дутья в 1828 году конструкция фурм изменилась и в конечном итоге стала включать водяное охлаждение. К концу 19 века преимущества фурмы с водяным охлаждением были признаны в отрасли, как и признание последствий отказа. Сообщаемые последствия отказов фурм:(i) более низкое содержание железа (более высокое содержание серы и более низкое содержание кремния), (ii) охлаждение очагов, (iii) взрывы, (iv) «дикий газ» для печей (вероятно, высокое содержание водорода), ( v) повышенный риск для безопасности (замена фурм во время дутья), (vi) повышенные затраты и (vii) производственные потери. К 1918 году Дж. Э. Джонсон-младший в своем тексте о принципах работы доменной печи сообщил операторам о «…разрушительном влиянии воды на работу печи…», а также дал количественную оценку потерь тепла в пересчете на топливо на утечку (0,12). Суммарная утечка в час, соответствующая 2%-ной потере тепла очага). Спустя почти 100 лет надежность фурм по-прежнему вызывает интерес и остается актуальной проблемой.

Попытки повысить надежность фурм продолжают вызывать трудности у операторов доменных печей и производителей фурм. Поскольку доменные печи были разработаны для обеспечения более высокой производительности при более низком расходе кокса, в основном за счет вдувания пылевидного угля, деятельность по расследованию причин отказов фурм была сосредоточена на шихте, методах эксплуатации, конструкции фурм и производственных дефектах.

Часто причины отказов фурм очевидны. Эрозия, истирание и ожоги горячим металлом легко различимы при беглом визуальном осмотре. Однако для завершения анализа требуется более подробная информация. При вырезании секций из вышедших из строя фурм становятся очевидными дефекты литья и изготовления.

Предотвращение поломок фурм является одной из важнейших задач производителей чугуна, так как важно поддерживать стабильную работу и высокую производительность. В Японии была разработана долговечная фурма. Характеристики этой фурмы:(i) низкий перепад давления (экономия энергии) и высокая скорость потока воды (высокая охлаждающая способность), поскольку структура фурмы эксцентрична, (ii) фурма покрыта некоторыми керамическими материалами для защиты от выгорания и истирания на внешней поверхности, и (iii) конструкция фурмы легко ремонтируется, что снижает затраты на техническое обслуживание.

Повреждения фурм доменных печей в основном связаны с тепловыми перегрузками, механическими воздействиями, дефектами конструкции и изготовления фурм. В прошлом было проведено много исследований термической нагрузки и механического воздействия на фурмы, и были разработаны различные концепции о ходе разрушения фурм доменной печи; например, была указана возможность того, что материал фурмы может быть разрушен при прямом контакте с горячим металлом через отложения железа под фурмой.

Механическое истирание фурм связано с движением твердых частиц перед фурмами. Тот факт, что истирание на верхней части фурменного сопла больше, чем на нижней, подтверждает это предположение.

Помимо таких воздействий, вызванных работой доменной печи, в качестве причины повреждения фурмы приводились конструктивные, материальные и производственные дефекты. Контуры водяного охлаждения, не обеспечивающие хорошей теплопередачи, считаются конструктивными дефектами. Дефекты литья и отклонения от конструкции относятся к производственным дефектам, которые могут быть выявлены при неразрушающем контроле. С улучшенными контурами охлаждающей воды, которые уже реализованы в усовершенствованной конструкции фурм, такие фурмы обеспечивают значительно повышенную долговечность фурм.

Для уменьшения износа фурм были опробованы различные защитные слои. Часто используются оксиды металлов, в частности оксид циркония, оксид бериллия и оксид алюминия. Говорят, что в качестве промежуточных слоев подходят никель или никелевые сплавы. Диффузионные процессы также приводят к стойкому защитному слою. Что касается способа действия и успеха защитных слоев для увеличения жизни, то есть несколько противоречивые утверждения.

Механическое истирание фурм связано с движением твердых частиц перед фурмами. Тот факт, что истирание на верхней части фурменного сопла больше, чем на нижней, подтверждает это предположение. Недавние исследования движений перед фурмами также указывают на возможность абразивного износа фурм.

Помимо таких воздействий, вызванных работой доменной печи, в качестве причины повреждения фурмы приводились конструктивные, материальные и производственные дефекты. Контуры водяного охлаждения, не обеспечивающие хорошей теплопередачи, считаются конструктивными дефектами. Дефекты литья и отклонения от конструкции относятся к производственным дефектам, которые могут быть выявлены при неразрушающем контроле. С улучшенными контурами охлаждающей воды, которые уже реализованы в усовершенствованной конструкции фурм, можно добиться значительного повышения долговечности фурм.

Для облегчения анализа отказов фурм в отношении производственных дефектов часто проводятся испытания на электропроводность. Ориентируясь на общую точку разрушения, проводимость отливки измеряют по линии сварки. Согласно закону Видемана-Франца электропроводность пропорциональна теплопроводности. Иногда наблюдается электрическая проводимость до 16 % Международного стандарта на отожженную медь (IACS). На внешнем кольцевом сварном шве, где чаще всего возникают отказы, теплопроводность зоны сварки обычно составляет лишь около одной трети теплопроводности чистой меди. Это образует слабое место, где отливка недостаточно охлаждается и просто расплавляется до возможного разрушения. Производителям фурм необходимо повысить требования к электропроводности и провести более строгие испытания, поскольку этот параметр играет важную роль в работе фурм.