Ce este un cuptor de sablare fierbinte? Principiul de lucru și eficiența

Ce este un cuptor fierbinte?

A Cuptor de sablare la cald este un furnal pentru fabricarea fierului alimentat cu aer care a fost preîncălzit - de obicei la 900-1.300 ° C - înainte de a fi suflat în cuptor prin duze numite tuyere, în loc să fie alimentat cu aer la temperatura camerei ("suflare rece"). Preîncălzirea în sine are loc într-un echipament separat numit sobă cu explozie fierbinte (cunoscută și ca sobă Cowper), iar aerul încălzit rezultat este ceea ce se numește „suflă fierbinte”. Aproape fiecare furnal care funcționează astăzi utilizează acest sistem, deoarece aerul preîncălzit reduce drastic consumul de combustibil și mărește producția în comparație cu cuptoarele cu aer rece utilizate înainte de anii 1830.

Distincția contează, deoarece explozia fierbinte nu este doar o modificare minoră - este una dintre puținele inovații care au făcut, în primul rând, producția de fier pe scară largă, alimentată cu cocs, viabilă din punct de vedere economic. Furnalele alimentate cu aer preîncălzit la 900–1.250°C pot genera temperaturi de topire de aproximativ 1.650°C, reducând semnificativ consumul de cocs per tonă de fier produsă. Înțelegerea modului în care funcționează sistemul de sablare la cald - și de ce temperatura acelui aer contează atât de mult - este cheia pentru înțelegerea eficienței furnalelor moderne.

Cum funcționează sistemul Hot Blast

Sistemul de furnal fierbinte este construit în jurul a două echipamente conectate care lucrează împreună: furnalul propriu-zis, unde are loc reacția de topire, și cuptorul (sobe) fierbinte, unde aerul este încălzit înainte de a ajunge vreodată în cuptor.

The Hot Blast Stove (Sobă Cowper)

Soba este în esență o carcasă de oțel cilindrică verticală căptușită cu cărămidă refractară, cu interiorul separat în două camere: o cameră de ardere, unde sunt arse gazele din furnal și alte surse de combustibil, și o cameră regenerativă umplută cu o cărămidă refractară încălzită de gazul ars. Aceste „cărămizi checker” refractare sunt mediul de stocare a căldurii - absorb căldura în timpul arderii și o eliberează mai târziu, pe măsură ce aerul proaspăt este împins prin ele.

Ciclul On-Gas și On-Blast

O sobă cu explozie fierbinte nu funcționează continuu într-un singur mod, ci alternează între două faze. În timpul perioadei de ardere, gazul combustibil este ars pentru a încălzi depozitul termic de cărămidă; în timpul perioadei de explozie, aerul este încălzit prin curgerea acestuia prin acel depozit termic. În timpul perioadei de descărcare la explozie, aerul proaspăt este condus de un ventilator la presiune ridicată peste cărămizile încălzite, iar după ce a fost încălzit până la 1.200 ° C, acest aer - numit acum explozie fierbinte - este alimentat în fundul furnalului pentru topirea minereului de fier.

Deoarece o sobă nu poate încălzi gazul și aerul în același timp, majoritatea furnalelor sunt deservite de trei sobe: în timp ce două sunt încălzite, suflarea de aer trece prin camera de regenerare a celei de-a treia sobe în drum spre furnal. Această rotație este cea care permite furnalului să primească o alimentare continuă și neîntreruptă de aer cald non-stop.

De la aragaz la Tuyeres

Aerul încălzit se deplasează de la sobă la cuptor printr-o țeavă agitată, care îl distribuie către duzele de suflare la cald, sau tuyerele, montate în jurul bazei cuptorului. Deoarece temperatura de suflare caldă trebuie menținută constantă pentru o eficiență bună a cuptorului, iar temperatura scade în mod natural pe măsură ce o sobă se răcește, suflarea fierbinte este amestecată cu o proporție controlată de suflare rece într-o cameră de amestecare pentru a menține temperatura de livrare constantă, chiar și atunci când căldura stocată de o sobă individuală este consumată.

Istoria din spatele tehnologiei Hot Blast

Suflarea la cald nu este o invenție modernă - datează de la începutul secolului al XIX-lea și reprezintă una dintre descoperirile esențiale din istoria producției industriale de fier. Până în anii 1820, se credea că aerul rece produce fier de calitate mai bună decât aerul cald, în mare parte pentru că umiditatea redusă din aerul rece de iarnă era considerată benefică.

Descoperirea lui Neilson din 1828

Suflarea la cald a fost inventată și patentată pentru cuptoarele de fier de James Beaumont Neilson în 1828 la Wilsontown Ironworks din Scoția. Neilson a descoperit că, prin creșterea temperaturii de explozie la doar 300 ° F (149 ° C), ar putea reduce consumul de combustibil de la 8,06 tone de cărbune la 5,16 tone per tonă de fier produsă, cu reduceri suplimentare realizabile la temperaturi mai ridicate. Rezultatele au fost dramatice și rapid verificate la scară: Cifrele documentate de la Clyde Iron Works între 1829 și 1833 arată că topirea cocsului cu explozie la rece a folosit 8,2 tone de cărbune pe tonă de fier și a produs 37,5 tone de fontă pe cuptor pe săptămână, în timp ce explozia la cald cu cocs a redus utilizarea cărbunelui la 5,3 tone și a crescut producția la 54 tone pe săptămână.

Designul sobei Cowper 1860

Echipamentul original al lui Neilson avea limite reale. Țevile din fontă susținute într-un cuptor de cărămidă aveau caracteristici de expansiune diferite, rezultând mai multe țevi crăpate, iar echipamentul de livrare folosea țevi solide și îmbinări flexibile din piele care nu puteau rezista la temperaturi ridicate. Abia în 1860, englezul Edward Alfred Cowper a inventat prima sobă cu explozie la cald de succes - designul regenerativ, din cărămidă, care, în formă rafinată, este încă standardul industriei astăzi. Adoptarea rapidă care a urmat a fost izbitoare: explozia fierbinte a fost utilizată în general în toată Marea Britanie până în 1835, la doar șapte ani după descoperirea inițială a lui Neilson.

De ce aerul preîncălzit reduce consumul de cocs

Principalul motiv pentru care funcționează cu explozie la cald este termodinamica simplă: aerul rece care intră într-un cuptor trebuie să fie încălzit prin arderea combustibilului în interiorul cuptorului înainte de a putea face ceva util, ceea ce irosește cocs prin simpla creștere a temperaturii aerului care intră. Prin preîncălzirea suflului de aer înainte de a intra în cuptor, aportul de căldură crește sub formă de căldură sensibilă care reduce direct rata de cocs.

Cercetările moderne confirmă că relația se menține într-un ritm foarte previzibil. Pentru fiecare creștere cu 100°C a temperaturii de ieșire a aerului fierbinte, raportul de cocs al furnalului poate fi redus cu 4-7%, producția poate fi crescută cu 3-5%, iar capacitatea de injectare a cărbunelui crește în mod corespunzător. O estimare separată a industriei o pune în termeni absoluti: fiecare creștere cu 10°C a temperaturii de explozie fierbinte la conducta agitată reduce rata de cocs la furnal cu aproximativ 4 până la 6 kg per tonă de metal fierbinte.

Acesta este, de asemenea, motivul pentru care suflarea la cald a devenit mai degrabă esențială decât opțională, deoarece tehnologia cuptorului a avansat. Preîncălzirea prin explozie de aproximativ 1.200°C este acum considerată esențială atunci când cărbunele pulverizat este injectat prin tuyere, deoarece suflarea cu aer cald asigură o încălzire mai rapidă, piroliza cărbunelui și arderea produselor gazoase rezultate.

Tipuri de design de sobe cu explozie fierbinte

Nu toate sobele sunt construite la fel. În conformitate cu diferitele configurații și structuri ale camerei de ardere și ale regeneratorului, sobele cu explozie fierbinte sunt, în general, împărțite în trei forme structurale de bază: ardere internă, combustie externă și ardere superioară. Alegerea dintre ele este, în mare parte, o chestiune de cât spațiu de podea este disponibil și ce temperatură maximă de explozie caldă vizează operațiunea.

Sobe cu ardere internă

Într-un proiect cu combustie internă, soba constă dintr-un perete refractar cilindric cu un perete despărțitor vertical interior care împarte singura carcasă într-o cameră de ardere și o cameră de tip checker care conține cărămizi de checker. Acesta este aspectul mai compact, tradițional, dar vine cu o limitare structurală: designul camerei de ardere internă cu un perete de separare are un punct slab cunoscut la colțurile camerei de ardere.

Sobe cu ardere externă

Sobele cu ardere externă sunt compuse dintr-o cameră de combustie separată și o cameră de ardere, conectate printr-un crossover, mai degrabă decât un perete interior comun. Separarea celor două camere în carcase distincte elimină punctul slab al tensiunii la colț al designului intern și, în general, suportă temperaturi de vârf mai ridicate.

Sobe cu ardere superioare (Dom).

O categorie mai nouă de sobe nu are deloc cameră de ardere în sensul convențional - acestea sunt cunoscute ca sobe cu combustie cu dom, sobe fără arbore sau sobe Kalugin. Per total, tehnologia sobelor cu explozie la cald, in special designul si calitatea refractarelor sale, a suferit imbunatatiri vaste in ultimii ani, atingand un nivel de maturitate care asigura o durata de viata de campanie de peste 30 de ani pentru o soba bine construita.

Materiale refractare utilizate în sobe cu explozie

Deoarece diferite zone ale aragazului suferă temperaturi foarte diferite, nicio cărămidă refractară nu poate fi folosită pe tot parcursul. Selecția materialului este stratificată în funcție de cât de fierbinte devine de fapt fiecare secțiune a camerei de verificare.

• Când temperatura țintă a sobei cu explozie fierbinte este sub 900°C, cărămida obișnuită de argilă refractă este în general suficientă.
• Pentru temperaturi țintă între 900°C și 1.100°C, căptușeala de înaltă temperatură și refractarul verificat ar trebui să treacă la cărămidă de foc cu conținut ridicat de alumină, cărămidă de mullit sau cărămidă de silimanit.
• Partea superioară a regeneratorului, care vede cea mai extremă căldură, este construită în mod obișnuit din cărămidă silicioasă, în timp ce secțiunea din mijloc folosește cărămidă de alumină, mulită, silimanită și andaluzită cu curgere scăzută, iar partea inferioară utilizează cărămizi de lut.

Această abordare stratificată - potrivirea gradului refractar cu căldura reală pe care o experimentează fiecare zonă - este ceea ce permite unei singure sobe să gestioneze în siguranță un gradient de temperatură care se întinde pe sute de grade de sus în jos.

Considerații privind utilizarea și eficiența energiei

Sobele fierbinți economisesc cantități enorme de cocs, dar sunt ele însele consumatori semnificativi de energie - un fapt adesea trecut cu vederea atunci când se evaluează eficiența generală a furnalului. Cantitatea de gaz de furnal necesară sobelor reprezintă aproximativ 40% din producția totală de gaz de furnal, iar consumul de energie al sobei poate ajunge la 25% din consumul total de energie al centralei.

Pe tonă, cifrele sunt la fel de grăitoare: pe baza datelor de la șase sisteme eficiente de sobe cu aer cald din întreaga lume, necesarul mediu total de energie primară este de 1,8 GJ pe tonă de metal fierbinte pentru sobele fierbinți, comparativ cu 11,6 GJ pe tonă pentru furnalul în sine. Aceasta înseamnă că sistemul de sobe, deși mai mic în termeni absoluti de energie decât cuptorul, reprezintă totuși o parte semnificativă și controlabilă din utilizarea totală a energiei instalației - și unul în care câștigurile de eficiență se traduc direct în economii de cocs.

Îmbunătățirile practice la instalațiile de operare au demonstrat acest lucru în cifre reale, mai degrabă decât în ​​teorie. Rezultatele documentate ale optimizării bateriei aragazului la producătorii integrați de oțel din SUA includ reduceri ale ratei de combustibil ale sobei cu 8 până la 15 kg per tonă de metal fierbinte și creșteri ale temperaturii de explozie fierbinte de la 15 °C la 30 °C, tradusă într-o reducere a ratei de cocs de aproximativ 6 până la 12 kg per tonă de metal fierbinte.

Parametrii de operare cheie de monitorizat

Pentru oricine operează sau evaluează un sistem de furnal cald, o mână de parametri determină în mod constant cât de bine funcționează sobele și unde se câștigă sau se pierde eficiența.

1. Temperatura de livrare a exploziei fierbinți la conducta agitată - de obicei variază de la 900 la 1.300 ° C, în funcție de designul și starea sobei, și este cea mai mare pârghie pentru rata de cocs.
2. Temperatura camerei de ardere — gazul rezidual este amestecat cu aer și ars la temperaturi de până la 1.500°C înainte de a intra în secțiunea de depozitare a cărămizii.
3. Durata ciclului de rotație a sobei - cele mai multe instalații funcționează 3 sobe pe un ciclu de încălzire de 20 de minute sau 4 sobe pe un ciclu de 15 minute, iar obținerea corectă a acestui timp afectează în mod direct cât de constantă rămâne temperatura de explozie livrată.
4. Presiune de explozie pe suprafața cărămizii verificate — aerul proaspăt este de obicei condus peste cărămizi la o presiune ridicată de până la 10 bari în timpul perioadei de descărcare la explozie.
5. Starea cărămizii de verificare și durata de viață a campaniei refractare — degradarea aici reduce eficiența transferului de căldură cu mult înainte de a deveni vizibilă în cifrele de producție, motiv pentru care detectarea timpurie prin analiza gazelor de ardere a devenit o practică standard de monitorizare.