Анализ условий теплообмена и причины выхода фурм из строя

Для анализа существующих условии тепловой работы воздушных фурм институтами «Гипросталь» и «ВНИПИ-Черметэнергоочистка» были проведены обширные исследования и расчеты, включающие:

1) замеры тепловых нагрузок на воздушные фурмы в различных условиях работы доменных печей и их изменения во времени;

2) замеры величин фактических тепловых потоков при контакте с жидким чугуном в зависимости от скорости движения охлаждающей воды;

3) обобщение экспериментальных данных различных авторов по исследованию тепловых нагрузок и условия возникновения кризиса кипения;

4) теоретические расчеты теплового поля стенки воздушных фурм при различных тепловых нагрузках.

Рассмотрение их позволяет высказать следующие соображения по повышению стойкости воздушных фурм.

Фактические данные по тепловым нагрузкам на воздушные фурмы

Тепловая нагрузка является одной из основных характеристик условий работы воздушных фурм, эта же величина при прочих равных условиях характеризует качество охлаждения фурмы.

Тепловые нагрузки на воздушные фурмы замерялись на 22 доменных печах восьми металлургических заводов.

Сводные данные по замерам тепловых нагрузок и напряжениям на фурму представлены в табл. 52.

Большой интерес представляет изменение тепловой нагрузки на фурму во времени (рис. 115), поэтому на одной из доменных печей были проведены непрерывные замеры температур охлаждающей воды в течение длительного времени.

Анализ результатов замеров тепловых потерь показывает, что в нормальных условиях работы большая часть охлаждающей поверхности фурмы защищена слоем гарниссажа, ограничивающего возможности контакта стен фурм с жидким чугуном.

При расходе охлаждающей воды 15—20 м3/ч фурма обеспечивает нормальный теплообмен, отводя в среднем 150—250 или до 800 тыс ккал/(м2*ч); при этом скорость воды в полости охлаждения не превышает 0,2 м/сек, а общий нагрев ее на выходе составляет 10—15° С.

Температура внешней и внутренней поверхности стенки фурмы находится в пределах соответственно 200—250 и 110—120° С.

Для определения величин фактических тепловых потоков при контакте с жидким чугуном были проведены специальные опыты в токе жидкого чугуна в желобе непосредственно на выпуске.

Результаты экспериментов приведены на рис. 116 в виде зависимости теплового напряжения на трубку от скорости движения охлаждающей воды.

При скоростях движения охлаждающей воды 8 м/сек коэффициент теплоотдачи к воде возрастает, что увеличивает теплосъем.

Скорость движения охлаждающей воды 8—9 м/сек соответствует интенсивному образованию гарниссажа на охлаждающей поверхности, который приводит к снижению теплового напряжения за счет изоляции трубки от жидкого металла.

При скорости около 6—7 м/сек возникает кризис кипения, резкое падение коэффициента теплоотдачи к воде, быстрое увеличение температуры стенки и, как следствие, прогар трубки.

Из графика видно также, что максимальное замеренное тепловое напряжение от жидкого чугуна составляет 3,5 млн. ккал/(м2*ч).

Таким образом, опытным путем установлено, что для снятия теплового напряжения от жидкого чугуна необходимо обеспечить скорость движения охлаждающей воды не менее 8,0 м/сек.

Кроме опытов в токе жидкого чугуна, исследовали струйное воздействие чугуна на охлаждаемую поверхность при температуре окружающей среды (воздуха) 20—30° С.

Перегретым до 1350—1450° С чугуном в количестве ~ 200 кг из ковша поливали медную волоохлаждаемую пластину толщиной 17 мм. Размеры полости охлаждения 30X4,5 мм. Высота падения струи толщиной 15—20 мм составляла ~ 0,5 м. Скорость охлаждающей воды уменьшалась до 1,8 м/сек. При температуре чугуна 1350° С и скорости 1,8 м/сек началось плавление, но образец не проплавился до конца. Во время следующего выпуска чугуна, температура которого повысилась до 1450° С, тот же медный образец проплавился при достижении минимальной скорости 4 м/сек.

Аналогичному струйному воздействию жидкого чугуна подвергали стальные образцы, на которых с рабочей стороны были приварены шины высотой 10 мм, покрытые карборундовой обмазкой. Образец не проплавился, даже в результате длительного (в течение нескольких минут) контакта с жидким чугуном. При этом скорость воды составляла 3,3 м/сек.

Тепловое напряжение на воздушную фурму от жидкого чугуна может быть приближенно определено расчетом

где а — коэффициент теплоотдачи от жидкого чугуна к фурме, ккал/(м2*ч*град);

Аt — перепад температур жидкого металла и стенки фурмы, град.

Коэффициент теплоотдачи определяется следующей зависимостью между критериями Нуссельта Nu, Грасгофа Gr и Прандтля Pr.

Показатель степени n определяется из уравнения

Значения постоянных с и р в уравнении (52) зависят от величины критерия Gr и при Gr>l,5*10в8 с=0,105 и р=1/3.

Решая уравнение (52) относительно а, получим

где а — искомый коэффициент теплоотдачи от чугуна к стенке фурмы, ккал/(м2*ч*град);

К — коэффициент теплопроводности чугуна, ккал/(м*ч*град);

в — коэффициент объемного термического расширения чугуна, 1/град;

V — коэффициент кинематической вязкости, м2/сек;

g — ускорение силы тяжести, равное 9,81 м/сек2;

а — коэффициент температуропроводности чугуна, м2/сек;

tч, tст — температуры чугуна и стенки фурмы, °С.

Задавая средние значения Л=14,4; в=1,6*10в-4; v=3*10в7; а=3*10в-6, найдем расчетное выражение

Принимая температуры жидкого чугуна и плавления меди соответственно равными 1400 и 1083° С, определим коэффициент теплоотдачи а=12850 ккал/(м2*ч*град).

Тепловое напряжение на фурму от расплавленного чугуна

q = 12850(1400—1083) = 4080 тыс. ккал/(м2*ч) = -4 млн. ккал/(м2*ч).

Анализ условий теплообмена в фурмах при высоких тепловых потоках

Из теории теплообмена известно о существовании двух основных режимов отвода тепла при больших тепловых нагрузках — пузырьковое и пленочное кипение.

В первом случае пар выделяется на обогреваемой поверхности в виде отдельных пузырей, создавая интенсивную турбулизацию жидкости в пристенном слое. Во втором случае поверхность нагрева отделена от основной массы жидкости сплошным изолирующим слоем пара.

Переход от одного режима кипения к другому происходит при определенных критических тепловых нагрузках и называется кризисным кипением, которое сопровождается резким ухудшением гидродинамических и тепловых условий процесса охлаждения обогреваемой поверхности.

Следует отметить экспериментально подтвержденный факт сохранения возникшего пленочного кипения, т. е. кризиса, даже в случае последующего значительного уменьшения плотности теплового потока. Это происходит из-за большей кинетической устойчивости сплошного парового слоя.

Так, по имеющимся опытным данным для прекращения пленочного режима кипения, и установления на поверхности нагрева картины, характерной для нормального пузырькового кипения, необходимо снизить плотность теплового потока до 17-22%.

Теоретические расчеты и опыты, проведенные с жидким чугуном, показывают, что реальные плотности тепловых потоков, возникающих при контакте с жидким чугуном, превышают 4—5 млн. ккал/(м2*ч).

Механизм прогара фурм состоит в следующем. Жидкий чугун, попадая на охлаждающую поверхность, вызывает резкое повышение температуры стенки, а также образование устойчивой паровой пленки, изолирующей поверхность фурмы в месте контакта от массы воды. В результате резкого ухудшения теплообмена температура стенки повышается до температуры плавления меди, и фурма прогорает.

Специальными экспериментами установлено, что кризис теплообмена при кипении возникает уже тогда, когда перегрев внутренней поверхности стенки относительно температуры кипения воды достигает 50—60° С (рис. 117).

Тепловой поток, снимаемый водой, зависит от многих величин, из которых наиболее характерными являются давление и скорость движения охлаждающей воды, а также недогрев ее до кипения.

Е.К. Аверин и Г.Н. Кружилин, изучая теплоотдачу при кипении воды в условиях вынужденной циркуляции, предложили эмпирическую формулу для определения критической тепловой нагрузки.

где w — скорость движения охлаждающей воды, м/сек;

р — давление воды, кГ*с/см2.

Результаты этих исследований представлены на рис. 118, из которого видно, что в реальных условиях, т. е. при q=500/800 тыс. ккал/(м2*ч) и w=0,1/0,2 м без попадания чугуна существующая фурма работает в устойчивой предкризисной зоне.

При увеличении скорости воды до 7 м/сек и давлении воды в полости охлаждения, равном 1—2 ат, обеспечивается нормальный отвод тепла в количестве 4—5 млн. ккал/(м2*ч), т. е. плотности теплового потока, возникающей при прямом контакте с жидким чугуном.

Повышение давления довольно существенно увеличивает предельную тепловую нагрузку, отводимую без нарушения качества охлаждения.

Сказанное подтвердилось неоднократными замерами в токе жидкого чугуна: минимальная скорость воды в трубке, погруженной в движущийся чугун, ниже которой наступал прогар, составляла 7—8 м/сек.

Величина критического теплового потока, при котором происходит кризис теплоотдачи при кипении для данного режима охлаждения (скорости, давления и недогрева воды), может быть увеличена за счет утолщения стенки фурмы.

В этом случае вследствие растекания тепла на большую поверхность со стороны охлаждения величина удельного теплового потока уменьшается.

Так, например, при попадании на поверхность фурмы струн чугуна шириной 30 мм увеличение толщины стенки с 5 до 30 мм приводит к тому, что величина удельного теплового потока со стороны охлаждающей воды уменьшится с 85 до 53% величины теплового потока, приходящегося на поверхность в месте контакта (рис. 119).

Это значит, что если, например, струя жидкого чугуна передавала в месте контакта 5 млн. ккал/(м2*ч), то со стороны охлаждаемой поверхности тепловой поток перераспределится на большую поверхность и составит уже 2,65 млн. ккал/(м2*ч).

Следовательно, и минимально допустимая скорость движения воды в охлаждаемой полости фурмы уже может быть <6—8 м/сек.

На ЭВМ «Минск-22» было рассчитано изменение во времени теплового поля стенки фурмы при попадании на ее поверхность жидкого чугуна.

Расчетом определялось время прожигания стенки при различной ее толщине и температуре жидкого чугуна.

Для расчета были приняты следующие исходные данные:

Кризис кипения (образование паровой пленки) происходит при увеличении температуры внутренней поверхности выше температуры кипения на 69° С, согласно данным рис. 117.

Результаты расчетов, представленные графически на рис. 120—122, показывают следующее.

Струя чугуна шириной 50 мм с температурой 1600° С проплавляет стенку фурмы за 1,59 сек; снижение температуры чугуна до 1400° С увеличивает время проплавления до 2 сек. При этом кризис теплоотдачи, т. е. образование паровой пленки, возникает уже через 0,1 сек. Тепловой поток в начальный момент на внешней поверхности фурмы достигает 12 млн. ккал/(м2*ч).

Образование же паровой пленки происходит при достижении теплового потока на внутренней поверхности всего лишь 1,5 млн. ккал/(м2*ч).

Интересно, что проплавление внутренней поверхности происходит на ширине ~20 мм, т. е. отверстие принимает форму конуса.

С увеличением толщины стенки до 40 мм время проплавления возрастает до 62,4 сек, причем паровая пленка образуется только через 2,4 сек.

Однако в результате растекания тепла размеры паровой пленки при дальнейшем воздействии чугуна уже через 13 сек увеличиваются до 230 мм, хотя площадь контакта остается прежней (на ширине 50 мм).

Если исходить из возможного времени контакта фурмы с жидким чугуном в условиях доменной плавки, то случай с толщиной стенки 40 мм (время проплавления 62,4 сек) представляется идеальным, тогда как время контакта с жидким чугуном в течение 1,5—2 сек, по-видимому, реальное условие.

Следует, однако, обратить внимание на то, что принятому в расчете коэффициенту теплоотдачи от стенки к воде, равному 30 тыс. ккал/(м2*ч), должна соответствовать скорость воды порядка 6—7 м/сек, т. е. само по себе увеличение толщины стенки без обеспечения надлежащего теплообмена еще не решает проблемы.

Так, например, в последних конструкциях воздушных фурм толщина носка увеличена до 35—40 мм, однако фурмы прогорают при попадании на них жидкого чугуна, так как скорость движения воды в полости охлаждения не превышает 0,5 м/сек.

Заслуживают внимания исследования причин выхода из строя фурм и механизма теплопередачи, выполненные лабораторией прикладных исследований американской фирмы «Юнайтед Стейтс Стил».

Опыты проводили на стандартных фурмах с толстостенным носком (63 мм), снабженных термопарами и помещенных в специальную камеру горения, которая отапливалась природным газом с кислородом.

Общий тепловой поток, замеренный на опытной фурме, достигал 1190 тыс. ккал/(м2*ч).

Температура на расстоянии 3 мм от наружной поверхности стенки при этом составляла 380° С.

На одной фурме проводили изучение распределения температур в носке фурмы при различных тепловых нагрузках и вычисляли коэффициент теплоотдачи к охлаждающей воде (рис. 123).

Как следует из рис. 124, температура внутренней поверхности стенки фурмы превышала температуру кипения воды, что свидетельствовало о том, что преобладающим механизмом теплопередачи в фурме является пузырьковое кипение.

Автор дает в обобщенном виде схему перехода от одного режима кипения к другому в зависимости от разности температур нагретой поверхности и кипения жидкости (рис. 124). При резком повышении тепловой нагрузки, например при контакте с жидким металлом, тепло не может достаточно быстро отводиться от поверхности, это вызывает увеличение At до критической, возникает пленочное кипение, резкое повышение температуры внутренней стенки фурмы, смежной с паровой пленкой, до температуры плавления, и фурма проплавляется.

На основании проведенных исследований авторы дают рекомендации по улучшению стойкости воздушных фурм.

Одна из них (общеизвестная) сводится к необходимости увеличения скорости охлаждающей воды и улучшения циркуляции, к сожалению, без конкретных указаний.

Другая рекомендация подвергает сомнению широко рекламируемое в последнее время увеличение толщины стенки фурмы. Для улучшения теплопередачи и уменьшения температуры наружной стенки фурмы предложено сократить толщину носка фурмы с 60 до 25 мм, что должно привести к понижению температуры с 460 до 280° С.

Таким образом, проведенные исследования позволяют сформулировать обоснованные рекомендации и наметить реальные пути совершенствования конструкций воздушных фурм.

Кардинальное решение стойкости фурм практически для любых температурных условий, включая попадание жидкого чугуна, может быть достигнуто только в результате коренного изменения конструкций, которые включают следующие меры:

1) создание водоохлаждаемых фурм, в которых обеспечивается скорость движения воды, заведомо достаточная для снятия критических тепловых потоков при попадании жидкого чугуна;

2) применение высокоогнеупорных защитных покрытий на наружной поверхности фурм. В этом случае тепловые потоки со стороны охлаждающей среды могут быть отведены без изменения скорости охлаждающей воды. Проблему качественного изготовления фурм следует решать на основе централизованного изготовления ,унифицированной конструкции воздушных и шлаковых фурм;

3) дальнейшее повышение стойкости против абразивного износа должно обеспечиваться применением твердых наплавок носка фурмы или его утолщения, а также переводом воздушных фурм на испарительное охлаждение, обеспечивающее стабильный безнакипный режим работы.