کوره هات بلاست چیست؟ اصل کار و کارایی

کوره بلند داغ چیست؟

A کوره هات بلاستینگ یک کوره بلند آهن‌سازی است که با هوای پیش گرم شده - معمولاً بین 900 تا 1300 درجه سانتیگراد - قبل از دمیدن به داخل کوره از طریق نازل‌هایی به نام tuyeres به جای تغذیه با هوای دمای اتاق ("انفجار سرد") عرضه می‌شود. پیش گرمایش خود در یک قطعه جداگانه از تجهیزات به نام اجاق گاز داغ (همچنین به عنوان اجاق گاز Cowper شناخته می شود) اتفاق می افتد و هوای گرم حاصله همان چیزی است که به عنوان "انفجار داغ" شناخته می شود. تقریباً تمام کوره‌های بلندی که امروزه کار می‌کنند از این سیستم استفاده می‌کنند، زیرا هوای پیش گرم شده به طور چشمگیری مصرف سوخت را کاهش می‌دهد و خروجی را در مقایسه با کوره‌های بلند سرد که قبل از دهه 1830 استفاده می‌شد، افزایش می‌دهد.

این تمایز مهم است زیرا انفجار داغ فقط یک تغییر جزئی نیست - بلکه یکی از نوآوری‌های انگشت شماری است که در وهله اول آهن‌سازی با سوخت کک در مقیاس بزرگ را از نظر اقتصادی مقرون به صرفه کرده است. کوره‌های بلندی که با هوای از پیش گرم شده در دمای 900 تا 1250 درجه سانتی‌گراد تغذیه می‌شوند، می‌توانند دمای ذوب حدود 1650 درجه سانتی‌گراد را تولید کنند که مصرف کک به ازای هر تن آهن تولید شده را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد. درک نحوه عملکرد سیستم انفجار داغ - و اینکه چرا دمای آن هوا بسیار مهم است - کلید درک کارایی کوره بلند مدرن است.

نحوه عملکرد سیستم انفجار داغ

سیستم کوره بلند داغ حول دو قطعه تجهیزات متصل به هم که با هم کار می کنند ساخته شده است: خود کوره بلند، جایی که واکنش ذوب اتفاق می افتد، و اجاق(های) انفجار داغ، که در آن هوا قبل از رسیدن به کوره گرم می شود.

اجاق گاز داغ (اجاق گاز مسی)

اجاق گاز در اصل یک پوسته فولادی استوانه‌ای عمودی است که با آجر نسوز پوشانده شده است و داخل آن به دو محفظه جدا می‌شود: یک محفظه احتراق، که در آن گازهای کوره بلند و سایر منابع سوخت سوزانده می‌شود، و یک محفظه احیاکننده پر شده از یک آجر نسوز که توسط گاز سوخته گرم می‌شود. این آجرهای نسوز «چکر» وسیله ذخیره‌سازی گرما هستند - آنها گرما را در حین احتراق جذب می‌کنند و بعداً با عبور هوای تازه از میان آنها، آن را آزاد می‌کنند.

چرخه On-Gas و On-Blast

اجاق گاز داغ به طور مداوم در یک حالت کار نمی کند - بین دو فاز متناوب می شود. در طول دوره گاز (اشتعال)، گاز سوختی برای گرم کردن ذخیره‌سازی حرارتی آجر بررسی می‌شود. در طول دوره انفجار، هوا با جریان یافتن آن از طریق ذخیره حرارتی گرم می شود. در طول دوره تخلیه در حین انفجار، هوای تازه توسط یک فن با فشار بالا به آجرهای گرم شده هدایت می شود و پس از گرم شدن تا 1200 درجه سانتیگراد، این هوا - که اکنون انفجار داغ نامیده می شود - برای ذوب سنگ آهن به کف کوره بلند هدایت می شود.

از آنجایی که یک اجاق گاز نمی تواند همزمان گاز و هوا را گرم کند، اکثر کوره های بلند توسط سه اجاق گاز سرو می شوند: در حالی که دو اجاق در حال گرم شدن هستند، انفجار هوا از محفظه احیا کننده سومین اجاق گاز در مسیر خود به کوره بلند می گذرد. این چرخش چیزی است که به کوره بلند اجازه می دهد تا یک منبع مداوم و بدون وقفه هوای گرم را در تمام ساعات شبانه روز دریافت کند.

از اجاق گاز تا تویرس

هوای گرم شده از اجاق گاز به کوره از طریق یک لوله شلوغ حرکت می کند، که آن را به نازل های هات بلاست یا لوله هایی که در اطراف پایه کوره نصب شده اند، توزیع می کند. از آنجایی که دمای انفجار داغ برای کارایی خوب کوره باید ثابت نگه داشته شود، و دما به طور طبیعی با سرد شدن اجاق گاز کاهش می یابد، انفجار داغ با نسبت کنترل شده ای از انفجار سرد در محفظه اختلاط مخلوط می شود تا دمای تحویل ثابت بماند، حتی زمانی که گرمای ذخیره شده یک اجاق گاز مصرف می شود.

تاریخچه پشت فناوری انفجار داغ

انفجار داغ یک اختراع مدرن نیست - به اوایل قرن نوزدهم باز می گردد و یکی از پیشرفت های اساسی در تاریخ آهن سازی صنعتی است. تا دهه 1820 تصور می شد که هوای سرد در واقع آهن با کیفیت بهتری نسبت به هوای گرم تولید می کند، عمدتاً به این دلیل که کاهش رطوبت در هوای خنک زمستان مفید تلقی می شد.

کشف 1828 نیلسون

انفجار داغ توسط جیمز بومونت نیلسون در سال 1828 در کارخانه آهن ویلسون تاون در اسکاتلند برای کوره های آهن اختراع و ثبت شد. نیلسون دریافت که با افزایش دمای انفجار فقط به 300 درجه فارنهایت (149 درجه سانتیگراد)، می تواند مصرف سوخت را از 8.06 تن زغال سنگ به 5.16 تن در هر تن آهن تولیدی کاهش دهد و کاهش بیشتر در دماهای بالاتر قابل دستیابی است. نتایج چشمگیر و به سرعت در مقیاس قابل تأیید بود: ارقام مستند شده از Clyde Iron Works بین سال‌های 1829 و 1833 نشان می‌دهد که در ذوب کک با بلاست سرد 8.2 تن زغال‌سنگ در هر تن آهن استفاده شده و 37.5 تن آهن خام در هر کوره در هفته تولید می‌شود، در حالی که انفجار گرم با استفاده از کک برش 5.9 تن در هفته زغال‌سنگ به 5.4 تن در هر تن رسیده است.

طرح اجاق گاز Cowper's 1860

تجهیزات اصلی نیلسون دارای محدودیت های واقعی بود. لوله‌های چدنی که در داخل کوره آجری پشتیبانی می‌شوند، ویژگی‌های انبساط متفاوتی داشتند که در نتیجه چندین لوله ترک خورده بود، و تجهیزات تحویل از لوله‌های جامد و اتصالات چرمی انعطاف‌پذیر استفاده می‌کردند که نمی‌توانستند در برابر دمای بالا مقاومت کنند. در سال 1860 بود که ادوارد آلفرد کاوپر انگلیسی اولین اجاق گاز داغ موفق را اختراع کرد - طرح احیا کننده و آجری که به شکل تصفیه شده هنوز استاندارد صنعت امروزی است. پذیرش سریعی که به دنبال داشت قابل توجه بود: انفجار داغ تا سال 1835، تنها هفت سال پس از کشف اولیه نیلسون، در سراسر بریتانیا مورد استفاده عمومی قرار گرفت.

چرا هوای از قبل گرم شده مصرف کک را کاهش می دهد؟

دلیل اصلی کار انفجار گرم ترمودینامیک ساده است: هوای سرد وارد شده به کوره قبل از اینکه بتواند کار مفیدی انجام دهد باید با سوزاندن سوخت در داخل کوره گرم شود، که باعث هدر رفتن کک در افزایش دمای هوای ورودی می شود. با پیش گرم کردن انفجار هوا قبل از ورود به کوره، گرمای ورودی به شکل گرمای محسوس افزایش می یابد که مستقیماً نرخ کک را کاهش می دهد.

تحقیقات مدرن تأیید می کند که این رابطه با نرخ بسیار قابل پیش بینی برقرار است. به ازای هر 100 درجه سانتیگراد افزایش دمای هوای خروجی داغ، نسبت کک کوره بلند را می توان 4 تا 7 درصد کاهش داد، خروجی را می توان 3 تا 5 درصد افزایش داد و ظرفیت تزریق زغال سنگ به ترتیب افزایش می یابد. یک تخمین صنعتی جداگانه آن را به صورت مطلق بیان می کند: هر 10 درجه سانتی گراد افزایش دمای انفجار داغ در لوله شلوغ، نرخ کک کوره بلند را تقریباً 4 تا 6 کیلوگرم در هر تن فلز داغ کاهش می دهد.

همچنین به همین دلیل است که با پیشرفت فناوری کوره، انفجار داغ به جای اختیاری ضروری شده است. در حال حاضر، پیش گرمای انفجار در حدود 1200 درجه سانتیگراد، زمانی که زغال سنگ پودر شده از طریق لوله ها تزریق می شود ضروری تلقی می شود، زیرا انفجار هوای گرم گرمایش سریعتر، تجزیه در اثر حرارت زغال سنگ و احتراق محصولات گازی حاصل را تضمین می کند.

انواع طرح اجاق گاز هات بلاست

همه اجاق های هات بلاست یکسان ساخته نمی شوند. با توجه به چیدمان ها و ساختارهای مختلف محفظه احتراق و احیاگر، اجاق های هات بلاست به طور کلی به سه شکل ساختاری اصلی تقسیم می شوند: احتراق داخلی، احتراق خارجی و احتراق بالا. انتخاب بین آنها تا حد زیادی به این موضوع بستگی دارد که چه مقدار فضای کف در دسترس است و چه دمای اوج انفجار داغ مورد هدف عملیات است.

اجاق گازهای احتراق داخلی

در طراحی احتراق داخلی، اجاق گاز از یک دیوار نسوز استوانه‌ای با یک دیوار جداکننده عمودی داخلی تشکیل شده است که پوسته منفرد را به یک محفظه احتراق و یک محفظه چکی حاوی آجرهای چکر تقسیم می‌کند. این چیدمان فشرده تر و سنتی است، اما با یک محدودیت ساختاری همراه است: طراحی محفظه احتراق داخلی با یک دیوار تقسیم دارای یک نقطه ضعیف شناخته شده در گوشه های محفظه احتراق است.

اجاق گازهای احتراق خارجی

اجاق‌های احتراق خارجی از یک محفظه بررسی و محفظه احتراق جداگانه تشکیل شده‌اند که به جای دیوار داخلی مشترک، توسط یک متقاطع به هم متصل شده‌اند. جداسازی دو محفظه به پوسته‌های متمایز، نقطه ضعف تنش گوشه طراحی داخلی را از بین می‌برد و به طور کلی از دمای اوج بالاتر پشتیبانی می‌کند.

اجاق گازهای احتراق بالا (گنبدی).

دسته جدیدتر اجاق گاز به هیچ وجه محفظه احتراق به معنای معمولی ندارد - اینها به عنوان اجاق گازهای گنبدی، اجاق گازهای بدون شفت یا اجاق گازهای کالوگین شناخته می شوند. به طور کلی، فناوری اجاق گاز هات بلاست، به ویژه طراحی و کیفیت نسوزهای آن، در سال‌های اخیر پیشرفت‌های زیادی داشته است و به سطحی از بلوغ رسیده است که عمر کمپین بیش از 30 سال را برای اجاق‌های خوش‌ساخت تضمین می‌کند.

مواد نسوز مورد استفاده در اجاق گاز هات بلاست

از آنجایی که مناطق مختلف اجاق دماهای بسیار متفاوتی را تجربه می کنند، نمی توان از هیچ آجر نسوز واحدی در سرتاسر آن استفاده کرد. انتخاب مواد با توجه به اینکه هر بخش از محفظه چکر واقعاً چقدر داغ می شود لایه بندی می شود.

• هنگامی که دمای هدف اجاق گاز داغ زیر 900 درجه سانتیگراد است، آجر سفالی معمولی به طور کلی کافی است.
• برای دماهای هدف بین 900 درجه سانتیگراد تا 1100 درجه سانتیگراد، پوشش نسوز و نسوز چکر با دمای بالا باید به آجرهای آتشین با آلومینا بالا، آجر مولایت یا آجر سیلیمانیت افزایش یابد.
• قسمت بالایی احیا کننده که شدیدترین گرما را می بیند، معمولاً از آجر سیلیسی چکر ساخته شده است، در حالی که در قسمت میانی از آجر با آلومینا بالا، مولیت، سیلیمانیت و آندالوزیت کم خزش و در قسمت پایین از آجرهای نسوز سفالی استفاده شده است.

این رویکرد لایه‌ای - تطبیق درجه دیرگداز با گرمای واقعی که هر منطقه تجربه می‌کند - چیزی است که به یک اجاق گاز اجازه می‌دهد با خیال راحت یک گرادیان دمایی که صدها درجه از بالا به پایین را در بر می‌گیرد، مدیریت کند.

ملاحظات مصرف انرژی و بهره وری

اجاق‌های انفجار داغ مقادیر زیادی کک را ذخیره می‌کنند، اما خود مصرف‌کنندگان انرژی قابل توجهی هستند - این واقعیتی است که اغلب هنگام ارزیابی کارایی کوره بلند نادیده گرفته می‌شود. مقدار گاز کوره بلند مورد نیاز اجاق گازها تقریباً 40٪ از کل خروجی گاز کوره بلند را تشکیل می دهد و مصرف انرژی اجاق گاز می تواند به 25٪ از کل انرژی مصرفی کارخانه برسد.

بر اساس هر تن، اعداد به همان اندازه گویا هستند: بر اساس داده‌های شش سیستم کارآمد اجاق‌های انفجار داغ در سراسر جهان، میانگین کل انرژی اولیه مورد نیاز 1.8 GJ در هر تن فلز داغ برای اجاق‌های انفجار داغ است، در حالی که 11.6 GJ در هر تن برای خود کوره بلند است. این بدان معناست که سیستم اجاق گاز، اگرچه از نظر انرژی مطلق کوچکتر از کوره است، اما همچنان سهم معنی داری و قابل کنترل از کل مصرف انرژی کارخانه را نشان می دهد - و سیستمی که در آن افزایش بهره وری مستقیماً به صرفه جویی در کک تبدیل می شود.

پیشرفت‌های عملی در کارخانه‌های عامل این را به‌جای تئوری، با اعداد واقعی نشان داده‌اند. نتایج مستند بهینه سازی اجاق گاز-باتری در تولیدکنندگان فولاد یکپارچه ایالات متحده شامل کاهش نرخ سوخت اجاق گاز به میزان 8 تا 15 کیلوگرم به ازای هر تن فلز داغ و افزایش دمای انفجار داغ از 15 درجه سانتیگراد تا 30 درجه سانتیگراد است که به کاهش نرخ کک تقریباً 6 تا 12 کیلوگرم در هر تن فلز داغ تبدیل می شود.

پارامترهای عملیاتی کلیدی برای نظارت

برای هر کسی که یک سیستم کوره بلند داغ را کار می‌کند یا ارزیابی می‌کند، تعداد انگشت شماری از پارامترها به طور مداوم تعیین می‌کنند که اجاق‌ها چقدر خوب کار می‌کنند و کجا راندمان به دست می‌آید یا از دست می‌رود.

1. دمای تحویل داغ در لوله شلوغ - معمولاً بسته به طراحی و شرایط اجاق گاز از 900 تا 1300 درجه سانتیگراد متغیر است و بزرگترین اهرم در نرخ کک است.
2. دمای محفظه احتراق - گاز زائد با هوا مخلوط می شود و قبل از ورود به بخش ذخیره آجر چک در دمای تا 1500 درجه سانتیگراد احتراق می شود.
3. طول چرخه چرخش اجاق گاز - اکثر کارخانه ها 3 اجاق را در یک چرخه گرمایش 20 دقیقه ای یا 4 اجاق گاز را در یک چرخه 15 دقیقه ای کار می کنند، و درست کردن این زمان به طور مستقیم بر ثابت ماندن دمای انفجار تحویلی تأثیر می گذارد.
4. فشار انفجار در سطح آجر چک - هوای تازه معمولاً در طول دوره تخلیه هنگام انفجار با فشار بالا تا 10 بار در سراسر آجرها هدایت می شود.
5. وضعیت آجر چکر و عمر کمپین نسوز - تخریب در اینجا راندمان انتقال حرارت را قبل از اینکه در ارقام خروجی قابل مشاهده باشد کاهش می‌دهد، به همین دلیل است که تشخیص زودهنگام از طریق تجزیه و تحلیل گازهای دودکش به یک روش نظارتی استاندارد تبدیل شده است.