Кіріспе
Жылу энергиясы тұрмыста да, техникада да кеңінен қолданылады. 900 тонналық мартен пештерінен бастап тұрмыстық газ плиталарына дейін, терең суық қондырғыларынан бастап плазмалық жанарғаларға дейін - бұл жылу энергиясының қолданылу ауқымы.
Металлургиялық жылутехникасы - әр түрлі салаларды қамтитын көлемді ғылым, теориялық негіздер мен қолданбалы бөлімдер қатарынан тұрады. Жылу энергиясын пайдаланудың екі негізінде әр түрлі- энергетикалық және технологиялық тәсілін атап айтуға болады.
Энергетикалық пайдалану кезінде жылу оны механикалық жұмысқа түрлендіру үшін қызмет атқарады.
Технологиялық пайдалану кезінде жылу әр түрлі денелердің қасиеттерін бағытталған түрде өзгерту үшін қызмет атқарады. Жылулықты жұмысқа түрлендіру үрдістері - техникалық термодинамика, ал оны тікелей пайдалану үрдістері жылу беруде меңгеріледі.
Қара және түсті метал алу технологиясы жылутехникалық процестермен тығыз байланысты түрде өтеді. Осы себебтен металлургиялық процестерді басқару және жетілдіру үшін металлургиялық отын құрамын, қасиеттерін, жылуды пешке беру жолдарын жан жақты зерттеу қажет.
Оқұ құралында жылуды алу және тарату зандары талқыланған, сонымен бірге есеп жүргіздіру әдістері келтірілген.
Металлургиялық жылытехникасы – кен бағытты қамтитын көлемді ғылым, теориялық негіздер мен қолданбалы бөлімдері бір талай технологиялық процестерде дамыған. Сонымен бірге металлургиялық жылутехника теориялық негіздеріне техникалық термодинамиканының және жылу беру теориясынның негіздері кіреді, ал қолданбалы бөлімдеріне - қазандар мен іштен жанатын қозғалтқыштар, бу және газ турбиналар, жылыту мен желдетуі, тоңазыту техникасы мен кондициялауды, өндірістік от техникасын және басқаларда жатады.
Металл қыздыру және балқыту қондырғылардың жұмыстық тәртібі, қолданатың құрылыс бұйымдар қасиеттері тағы көптеген мәселелер металлургиялық жылутехника сұрақтарына жатады.
1. МЕТАЛЛУРГИЯЛЫҚ ОТЫН
1.1. Отын құрамы
Кеннең металл қорытып алу, тазарту процесстері жоғары температурада жүретіндіктен, металлургиялық агрегаттарда табиғи және жасанды отындардың қатты, сұйық және газ күйіндегі түрлерін жағуға тура келеді.
Бүкіл отындарды келесі түрде топтастыруға болады:
1.1 кесте - Отынды топтастыру
| Пайда болу жолы | Қатты | сұйық | Газ тәрізді |
| табиғи | ағаш көмір торф жанғыш сланец | Мұнай | Табиғи газ |
| жасанды | Кокс Жартылай кокс Көмір брикеті | мұнай өнімдері | Домна газы Кокс газы Генератор газы |
Металлургия жағылатын отынның жылу шығарғыштығы мен беріктігі жоғары, құны арзан және зиянды қоспалар (S, P) мөлшері аз болуын талап етеді. Отын құрамына енетің C, H2, O2, N, S элементтерінен құрастырылатың органикалық заттардаң т.б. қоспалардан тұрады. Агрегаттын күйіне қарай үш топқа бөлінеді.
Қатты отын. Қатты отынның табиғи түріне ағаш, торф, тас көмір, антрацит және жанғыш сланец жатады. Ағаш отынның химиялық құрамы: 49,4 – 50,4%С, 5,9 – 6,1% Н2; 40,1 – 42,7% О2; 0,7 – 1,0% N2. Оның жылу шығарғыштық қабілеті Q 
= 19,05 
(4550 
), ағаш отынның құрамында күкірт сияқты зиянды қоспа жоқ, күлділігі аз болғандықтан, бұл отын бағалы металлургиялық отындар түріне жатады; бірақ ағашты металлургиялық отын ретінде пайдалану тиімсіз болғандықтан, қазіргі кезде отынның бұл түрі сирек қолданылады. Ағаш отын металлургиялық пештерде тамызық ретінде, генератор газын алу үшін, кейде металдың ерекше бағалы түрлерін қорыту үшін пайдаланылады.
Кокс.Көмірдің тас көмір, антрацит сияқты түрлері металлургия өндірісінің отыны болып табылады. Кокстелетін тас көмір шойын балқыту үшін пайдалынады. Сол себебтен негізгі металлургиялық отын ретінде тас көмірден өндірілген кокс саналады.
Көмір – ерте заманда жер бетінде болған көп клеткалы өсімдіктердің қалдығы. Тас көмірдің құрамы оның кенінің географиялық орнына байланысты өзгеріп отырады. Оның орташа құрамында 75 – 90% C, 2 – 6% H2, 2 – 4% S, 10 - 20% күл болады. Жылу шығарғыштық қабілеті Q = 30,26 – 31,5 (7300 – 7500 ). Көмірдің барлық түрлерінің ішінде металлургия үшін құндысы – кокстелетін көмір. Өйткені металлургияда көмір кокс түрінде пайдаланылады. Кокс кокстелетін көмірді 10000 – 12000С температурада кокстеу пештерінде құрғақ айдау арқылы алынады. Кокстелетін көмір бөлшектері ені 3 мм-ге жеткенше ұсақталып, 6 – 8% ылғалдандырылады. Осылайша дайындалған көмір арнаулы қондырғының көмегімен люк арқылы кокс пешіне салынады. Көмірді 1000 – 12000С температураға дейін қыздырғанда, оның құрамындағы ұшқыш заттар болғаннан соң есік арқылы температурасы жоғары кокс пештен бағыттаушы тор арқылы болат вагонға төгіліп, өшіргіш мұнарада судың жәрдемімен өшіріледі.
Кокстеу камерасы ұзындығы 13 – 13,8 м, ені 0,4 – 0,45 м, биіктігі 3,9 – 4,5 м параллелопипед тәрізді етіп жасалып, екі жағынан қыздырылады. Осындай камералар жиынтығы кокс батареясын құрайды. Әрбір камераның өнімділігі тәулігіне 29 тоннаға дейін барады. Кокстың орташа құрамы: 82 – 88%С, 5 - 2%S, 2 - 6% ылғал, қуыстылығы 50%, жылу шығарғыштық қабілеті 27,3 - 31,5 (6500 – 7500 ). Жалпы өндірілген кокстың 25 мм-лік және одан ірі түйіршіктері 85% болады. Олардыда домна пештерінде шойын алу үшін пайдаланылады. Қалған 15%-і басқа мақсаттар үшін пайдаланылады.
Кокстың сапасы мен қасиеттерін ұш топқа бөліп анықтауға болады: химялық құрамы, физико- механикалық және физик- химиялық қасиеттері. Сонымен бірге кокстың технологиялық құндылығың заттай құрамы арқылы сипатталады. 1 сүретте отынның әртүрлі құрамы келтірілген. Жану есебін жүргізу үшін отынның жұмыстық құрамы алынады. Осы жағдайда отын құрамындағы ылғал мен бос жыныстарды міндетті түрде есепке кіргіздіру қажет. Түтін құрамы және көлемі сонымен бірге қажетті ауа көлемі жұмыстық массамен анықталады. Жылушығару қабілет отынның жанар құрамымен есептеледі.
1.1 сүрет. Отын құрамы
Химиялық құрамы оның органикалық массасы арқылы сипатталады. Кокстың органикалық құрамында көбінесе 96.5-97.5% C ,0.5-0.8% H2, 0.3-0.4% O2 және аз мөлшерде S пен N2. Органикалық құрамын кейде элементарлы \қаррапайым\ құрамы деп атайды. Ал оның басты көрсеткіші құрамындағы ұшқыш және ұшпайтын көміртегінің мөлшері. Практикалық есептеу жүргізу үшін ұшпайтынын көміртек санын біліуіміз қажет. Көміртек мөлшерін техникалық анализ арқылы анықталады.
Техникалық анализ кокстың құрамын, сапасын анықтауға мүмкіндік тұғыздырады. Осы анализ нәтижесінде: күл, ылғалдылық, ұшқыш заттар және күкірттің мөлшері анықталады. Отын ылғалдылығы отынның негізгі құрамына қосымша беріледі (жүз пайыздан жоғары). Ұшпайтын (қатты) көміртек мөлшері келесі теңдеу арқылы табылады:
C = 100- (A+L+S), (1.1)
Мұндағы: А – күл, L- ұшар заттар, S- күкірт.
Көбінесе металургиялық кокстың құрамында күл мөлшері 8-13% тен болады. Күл құрамына аса көп назар аудару қажет. Құрамындағы қышқыл және негізгі заттар қатынасына қарай кокстын технологиялық қасиеттері анықталады. Кокс күлінің құрамына міндетті түрде темір, кальций, кремний, алюминий, магний тотықтары кіреді. Сонымен бірге фосфор және күкірт қоспалары кездесуі әбден мүмкін. Аталған элементтер өз әсерін металды балқытқанда шлак түзілген жағдайда көрсетеді. Алынған шойын қасиеті кокс құрамындағы күлге тәуелді болып табылады. Осы себебтен металлургиялық шихта құрамын есептегенде міндетті түрде кокс күлінің құрамын есепке алу қажет. Кокстың ылғалдылығы 1-3% шамасында болады, ал ұшқыш заттар 0.8 -1.2% құрайды. Әрине аталған көрсеткіштер кокс алу процессіне байланысты. Кокстелу уақыты көп болған сайын құрамында ұшқыш заттар мөлшері азайя береді. Орта есеппен алғанда кокстелу уақыты 18-24 сағатқа тен.
Сұйық отын.Мұнайды құрғақ айдау арқылы одан жермай, газойль сияқты заттар алынғаннан кейінгі қалған мазут деп аталатың калдықты металлургиялық отын ретінде есептейді.. Құрамында 1%-тен кем күкірт бар мазут болат балқыту үшін мартен процесінде пайдаланылады сонымен бірге домна пешінеде берілуі мүмкін. Мазуттың құрамы: 84-87% C, 10 Н, 1,5% S, 0,5-1% (N2+O2), 0-10% ылғалдық. Жылу беру қабілеті Q = 30,26 – 31,5 (7300 – 7500 ).
Газ тәрізді отын.Бұл отынның табиғи және жасанды түрлері металлургияда кенінең пайдаланылады. Жасанды түріне кокс, генераторлық және синтез газы жатады. Соңғы кезде елімізде мұнай газың көптеген технологиялық процестерде пайдаланылатың болды. Табиғи газ мартен, шахталы, жалын шағылыстырғыш пештер мен қыздырғыш қондырғыларда отын ретінде жағылатын болды. Кокс пен домна газы, кокс пен домна өндірістерінің қосалқы өнімі ретінде осы күнге дейін металлургия өндірісінің құнды, арзан отындарының түріне жатады.
Домна газының жылу шығарғыштық қабілеті нашар болғандықтан, ол металлургия өндірісінде кокс газымен қосылып жағылады. Бұл екі газ қоспасының жылу шығарғыштық қабілеті Q = 9,66 – 10,92 (2300 – 2600 ) болатындай етіп араластырылады. Кокс газының құрамы: 58,5% H2; 22,5% CH4; 8,2% CO; 2,2% CO2; 0,5% O2; 6,3% N2. Жылу шығарғыштық қабілеті 15,12 – 18,9 (3600 – 4500 ). Домна газының құрамы: 10,5% CO2; 29,5% CO; 0,2% CH4; 1,2% H2; 58,5% N2. Жылу шығарғыштық қабілеті Q = 3,78 – 4,62 (900 – 1100 ). Қатты отындарды ауа жеткіліксіз ортада жағу арқылы генераторлық газ алады. Бұл газдың құрамы: 5-8,5% CO2; 25-30% CO; 0,5-3% CH4; 13-15% H2, қалғаны N2 + O2. Оның жылу шығарғыштық қабілеті Q = 5,46 – 6,72 (1300 – 1600 ).
Отынның ен құнды бөлшегі деп саналатындар көміртек және сутегі. Не ғұрлым отын құрамында аталған элементтер көп болса сол құрлым отынның жылу шығару қабілеті жоғары деп табылады. Көміртек толық жанған кезде (СО2 пайда болған кезде) 33,65 МДж/кг жылу пайда болады. Сутегі жану процесінде 141,5 МДж/кг жылу шығарады. Отын құрамында сутегі молшері 6-8% болуы мүмкін. Күкірт 9 МДж/кг жылу береді. Күл құрамына көптеген заттар кіреді, мысалы Al2O3, SiO2, Fe2O3, CaO, MgO тағы басқалары. Отын сапасына қарай күл мөлшері 8-50 пайыз аралығында болуы мүмкін.
Отынның жылушығару қабілетін анықтау үшін құрамындағы ылғалды алдын ала білу керек. Отыннң төменгі жұмыстық және жоғары жұмыстық жылулығы есептеледі:
(1.2)
Отынның құрамы боыйнша томенгі жұмыстық жылулығын есептеуге мүмкін:
(1.3)
1.2 Отын құрамын есептеу
Отын құрамын есептеу үшін келесі кестесе келтірілген тендеулерді пайдалануға болады:
1.2 кесте –Отын құрамын есептеуге арнаналған
| Отын құрамы | Есеп жүргіздіру тендеулер | |||
| Органикалық масса (о) | Жанар масса (г) | Құрғақ масса (с) | Жұмыстық масса (р) | |
| Органикалық масса (о) | 
| 
| 
| |
| Жанар масса (г) | 
| 
| 
| |
| Қүрғақ масса (с) | 
| 
| 
| |
| Жұмыстық масса (р) | 
| 
| 
|
Отынның жылу шығару қабілетің есептеу үшін отынның түріне қарай әр түрлі формулаларды пайдалынады. Қатты және сұйық отын ушін Менделеев Д.И. тендеуің пайдалынады:
(1.4)
Газ отыны үшін:
(1.5)
Ауа көлемін және түтін құрамымен көлемін есепреу үшін 1.3 кестедегі тендеулерді пайдалануға болады.
1.3 кесте – Ауа және түтін көлемінң есептеуге арналған тендеулер
, (1.6)