Теплообмен при разрушении кладки и подходе жидкого чугуна к холодильникам горна и лещади

Теоретические расчеты

Предыдущий анализ работы системы охлаждения доменных печей показал, что расплавление холодильников невозможно, если между холодильниками и жидким чугуном сохранился хотя бы незначительный слой кладки или углеродистой набивки.

Соответственно, анализ условий, при которых возможен выход из строя системы охлаждения, должен начинаться с выявления характера возможных подходов жидкого чугуна непосредственно к холодильникам. Для подхода жидкого чугуна к холодильникам необходимо следующее:

1) предварительно в кладке должны возникнуть полости, примыкающие к холодильникам;

2) должны возникнуть пути, по которым жидкий чугун из горна мог бы сообщаться с полостью.

Ранее было показано, что при определенных условиях в кладке и углеродистых блоках действительно возникают полости, которые можно разделить на два класса. К первому относятся полости, возникшие в результате разрушения углеродистых блоков. Указанные полости могут быть различными по формам и размерам.

Ко второму относятся щели между блоками, возникающие из-за термического расширения кладки. Они могут иметь размеры до 20 мм в ширину и до 500 мм в высоту.

Сообщение полости с горном — явление весьма случайное, и в ряде случаев полости могут оставаться не заполненными чугуном в течение весьма длительного времени.

При теоретическом анализе условий прорыва многообразие возможных условий сведено к следующим упрощенным схемам (рис. 160), для которых на электронно-вычислительной машине «Минск-22» выполнены серии расчетов.

1. Щель между разошедшимися блоками (см. рис. 160,а) быстро заполняется жидким чугуном, в котором возникают и развиваются конвективные токи. Анализ состояния кладки показывает, что полости этого вида также широко распространены. Это подтверждается теоретическими соображениями.

2. Полость большого объема (см. рис. 160,б) быстро заполняется жидким чугуном, однако ее конвективные движения в ней исключаются. Анализ состояния кладки при ремонтах показывает, что полости этого вида наиболее распространены.

3. Полость больших размеров быстро заполняется чугуном, и столь же быстро в пей возникают конвективные токи (см. рис. 160,в). Анализ состояния кладки показывает, что такие полости встречаются реже предыдущих, но возможны.

4. Полость больших размеров медленно заполняется через небольшую щель в кладке, при этом струя, бьющая из щели, попадает непосредственно на холодильник (см. рис. 160,г).

По-видимому, все возможные на практике случаи могут быть сведены к одному из перечисленных или в какой-нибудь их комбинации. В расчетах анализируются наиболее взрывоопасные случаи, т.е. подходы жидкого чугуна непосредственно напротив охлаждающих трубок. При этом определялись следующие характерные показатели:

1) возможно или невозможно проплавление холодильника до трубки;

2) как влияет на скорость проплавления величина щели, по которой подходит жидкий чугун, и температура охлаждающих углеродистых блоков;

3) каковы критические размеры пустот в огнеупорных блоках, при которых возможно проплавление холодильника, и необходимые условия для этого;

4) какова динамика процесса проплавления холодильника во времени с определением таких величин, как изменение тепловой нагрузки, рост температуры стенки трубки и нагрева охлаждающей воды, изменение толщины чугунной плиты, время наступления кризиса кипения, время, когда может быть получен сигнал об аварийном состоянии по нагреву воды;

5) каковы возможности предупреждения прорывов чугуна посредством измерения температурных перепадов охлаждающей воды.

Ниже рассмотрены основные результаты теоретического анализа.

Вариант 1. Подошедший жидкий чугун соприкасается с холодильником при отсутствии конвективных токов. Расчет теплового воздействия с точки зрения возможности расплавления выполняли согласно расчетной схеме для двух контактирующих масс. Одна из них представляет собой чугунную плиту холодильника с начальной температурой поверхности (150° С при испарительном и 80° С при водяном охлаждении), вторая — жидкий чугун с температурой 1450° С, без учета отвода тепла в окружающую кладку. В результате расчетов установлено, что в рассматриваемом случае расплавление холодильников невозможно.

Подошедший жидкий чугун быстро кристаллизуется. При этом разогрев поверхности холодильника не превышает 825° С при водяном охлаждении и 835° С при испарительном охлаждении. Тепловой поток на воду за время переходного процесса не превышает 140 тыс. ккал/(м2*ч). Как было показано выше, и при водяном, и, тем более, при испарительном охлаждении критические значения тепловых потоков превышают эту величину.

Это показывает, что перестройки режима охлаждения, т. е. кризиса кипения, не происходит.

Следовательно, системы охлаждения, с точки зрения возможности расплавления холодильников, способны противостоять такому подходу жидкого чугуна. Это означает, что заполнение жидким чугуном полостей при отсутствии конвективного перемешивания, не приводит к немедленному прорыву жидкого чугуна. Однако подходы такого тина опасны тем, что возникающие при резком изменении температуры термические напряжения могут превысить допустимые значения и привести к растрескиванию холодильников.

Этот вывод подтверждается результатами теоретических расчетов термических напряжений.

Наибольший интерес представляет рассмотрение напряженного состояния в плите холодильника в случае подхода жидкого чугуна к поверхности плиты и затвердевания его в щели до толщины 320 и 800 мм. При этом расчет показывает, что наибольшее по величине напряжение возникает вблизи участка поверхности, к которому подошел жидкий чугун, и достигает 3500 кгс/см2. Сжимающие напряжения такой величины при высоких температурах, характерных для этого участка сечения, могут вызвать появление трещин в теле холодильника. Вид охлаждения и наличие накипи в трубках на величину напряжений не оказывают заметного влияния. На рис. 161 представлена эпюра сжимающих напряжений (оz-z) по оси щели подхода чугуна в случае затвердевания его на глубину сохранившейся кладки (ширина щели подхода 200 мм, охлаждение испарительное, толщина сохранившейся углеродистой кладки вдоль щели подхода 800 мм).

При полном затвердевании чугуна (до 320 мм), проникшего в щели, качественно картина распределения напряжений по сравнению с предыдущим случаем, не изменяется, однако при всех рассмотренных режимах охлаждения наблюдается общее повышение уровня напряжений до 3500 кгс/см2.

Результаты расчета для случая сохранения жидкого чугуна на поверхности холодильника после его подхода показывают, что как при водяном, так и при испарительном охлаждении напряжения вблизи охлаждающих трубок, т. е. в областях, значительно удаленных от поверхности холодильника находятся на уровне 2000 кгс/см2. Как известно, предел прочности на растяжение для чугуна при температурах 20—200° С составляет 1500 кгс/см2 и значительно снижается с повышением температуры. Следовательно, при данных условиях возникновения трещин в теле холодильника избежать невозможно.

Вариант II. Жидкий чугун подошел к холодильнику через радиальные щели или неплотности в кладке высотой 500 и шириной до 100 мм при наличии конвективных токов с учетом отвода тепла в окружающую кладку. Расчеты выполняли для условий, когда жидкий чугун в щели находится в интенсивном конвективном движении, а тепло отводится к холодильнику и ограничивающим щель углеродистым блоком.

Значения коэффициента теплоотдачи выбирали на основе эмпирических формул, например. Было принято а=13 тыс. ккал/(м2*ч*град).

При расчетах варьировали ширину щели от 20 до 100 мм и начальную температуру углеродистых блоков от 200 до 750° С. В результате расчетов было установлено, что при всех указанных ширинах щели и температурах кладки жидкий чугун, попавший в щель, затвердевает за время, меньшее, чем время, необходимое для расплавления холодильников до трубок.

Время, необходимое для расплавления холодильников, оценивалось по максимально возможной скорости расплавления при выбранном коэффициенте теплоотдачи.

Расчеты показывают, что при изменениях ширины щели в пределах 20—100 мм при наибольшей возможной начальной температуре кладки 750° С время затвердевания изменяется в пределах 2,4—20 сек; при ширине щели 20 мм (наиболее вероятное значение) и изменении температуры кладки от 200 до 750° С время затвердевания изменяется от 1,2 до 2,4 сек. При этом время, необходимое для проплавления холодильников до трубок, составляет не менее 140 сек. Из этого сопоставления следует, что заполнение щелей жидким чугуном может привести к незначительному оплавлению холодильника и представляет опасность только с точки зрения термонапряжений, рассмотренных в предыдущем случае.

Вариант III. Жидкий чугун заполнил образовавшуюся непосредственно у холодильников полость разных размеров при развитом конвективном движении. Из общих соображений, а также из расчетов, выполненных для варианта II, следует, что развитое конвективное движение жидкого чугуна в полости может представлять собой опасность, лишь когда отвод тепла от жидкого чугуна к холодильнику велик по сравнению с отводом тепла в кладку. Это соображение позволяет решить важный вопрос надежности охлаждения: определение критических размеров полости, т. е. тех размеров, превышение которых превращает полость в опасную.

Расчеты показывают, что опасная полость должна иметь сечение, параллельное поверхности холодильника, близким к квадратному, и размеры полости контакта должны превышать 0,35х0,35 м2.

Если при такой поверхности контакта полость имеет широкое сообщение с основной массой жидкого чугуна, прорыв неизбежен при охлаждении любого вида.

Затвердевание чугуна возможно, если полость отделена от основной массы чугуна и глубина ее не превышает 0,6 м.

Вариант IV. Струя жидкого чугуна ударяет в холодильник, например, при внезапном заполнении полости, находящейся у холодильников. Анализ последнего случая существенно затруднен из-за отсутствия данных по коэффициенту теплоотдачи от незаполненных струй. Из общих соображений ясно, что этот коэффициент должен превышать значения коэффициентов теплоотдачи при продольном обтекании, т. е. быть больше чем 5—10 тыс. ккал/(м2*ч*град), и его значение должно повышаться с ростом скорости струи.

По предварительным данным экспериментального изучения этого вопроса в институте ВНИПИчерметэнергоочистка, значение этого коэффициента лежит в пределах 15—12 тыс. ккал/(м2*ч*град).

Расчеты, выполненные со значениями коэффициента теплоотдачи в этом диапазоне, показывают, что под действием струи проплавление холодильника происходит, независимо от вида охлаждения, за очень короткое время. При а=12 тыс. ккал/(м2*ч*град) время проплавления составляет 30 сек, при а=5 тыс. ккал/(м2*ч*град) — около 1 мин.

Заблаговременное определение такого прорыва посредством изменения температуры практически невозможно.

Борьбу с прорывами такого рода следует вести посредством контроля состояния кладки (например, устройствами типа эхолота). Расчеты показывают, что для возникновения опасности прорыва при струйном воздействии полость должна иметь объем не менее 100—200 л.

Размеры такой полости порядка 0,5-0,6 м. При обнаружении вблизи холодильников полостей такой величины доменную печь необходимо немедленно остановить на ремонт.

Сравнение эффективности водяного и испарительного охлаждения при подходе чугуна с конвективным теплообменом

Для сравнительной оценки эффективности действия водяного и испарительного охлаждения была выполнена серия расчетов расплавления холодильников при конвективном теплообмене с жидким чугуном для различных глубин полости, позволяющих представить динамику процесса расплавления и изменение наиболее характерных показателей во времени.

При этом численно решалась задача нестационарной теплопроводности с фазовым переходом для бесконечной плиты с расстоянием до охлаждающей трубки Н=80 мм. На границе с водой принимали переменный коэффициент теплоотдачи, отражающий изменения гидродинамических условий охлаждения при росте теплового потока.

На границе с жидким чугуном принимали, как и в случае щели, коэффициент теплоотдачи, соответствующий развитому конвективному движению, т. е. а=13 тыс. ккал/(м2*ч*град). Учитывали также падение температуры жидкого чугуна с течением времени.

Для каждого случая расчет осуществляли лишь до тех пор, пока система охлаждения была способна отводить тепло.

Для испарительного охлаждения это соответствовало наступлению кризиса [q=1,5 млн. ккал/(ч*м2)], для водяного охлаждения — либо моменту наступления кризиса, либо моменту запирания трубок из-за поверхностного вскипания, в зависимости от того, какое из этих явлений наступало раньше.

На рис. 162 показана динамика процесса проплавления холодильника во времени при заполнении жидким чугуном полости глубиной 0,6 м, соприкасающейся с поверхностью холодильников при водяном и испарительном охлаждении.

На рисунке сравниваются показатели изменения трех основных величин:

1) толщины холодильника H (расплавление) и конечный результат этого процесса — холодильник расплавляется до трубки или происходит в конце концов затвердевание чугуна под действием охлаждения;

2) температуры стенки трубки;

3) температуры охлаждающей воды (Tв) в процессе проплавления и время, за которое происходит увеличение до установленных допустимых значений: для испарительного охлаждения допустимый нагрев воды состав-ляет 20° С, для водяного 5° С.

На рис. 163 и 164 представлены аналогичные показатели для различных глубин полости, заполненной жидким чугуном, 0,4—0,7 м. (Площадь контакта холодильника с жидким чугуном во всех случаях принята одинаковой: 0,35х0,35 м).

Из рассмотрения приведенных материалов следует вывод о большой надежности и эффективности испарительного охлаждения при подходе к холодильникам жидкого чугуна с наличием конвективных токов:

для расплавления холодильника, работающего на испарительном охлаждении, необходимо, чтобы размер полости, примыкающей к холодильнику, т. е. количество участвующего в теплообмене чугуна, был вдвое большим, чем для водяного охлаждения.

Так, при испарительном охлаждении возможно затвердевание жидкого чугуна при глубине полости 0,4 и 0,6 м, тогда как при работе на водяном охлаждении в этом случае возникает кризис кипения, нарушение охлаждения и расплавление холодильников.

Сопоставление таких показателей, как появление сигнала о повышении нагрева воды и запаса времени до наступления кризиса, также оказывается не в пользу водяного охлаждения.

Так, при испарительном охлаждении сама по себе величина допустимого нагрева воды в четыре раза больше, чем при водяном охлаждении (20 вместо 5°С), что повышает точность и надежность контроля.

Результаты теоретического анализа условий прорыва чугуна горна и лещади доменных печей при внезапном подходе жидкого чугуна к холодильникам представлены в обобщенном виде в табл. 56, рассмотрение которой позволяет сделать выводы о том, что система испарительного охлаждения с восходящим движением охлаждающего агента гораздо надежнее системы водяного охлаждения.