เตาพ่นสีร้อนคืออะไร? หลักการทำงานและประสิทธิภาพ

เตาหลอมร้อนคืออะไร?

A เตาพ่นสีร้อน เป็นเตาหลอมเหล็กที่ใช้อากาศซึ่งปกติจะอยู่ที่ 900–1,300°C ก่อนที่จะถูกเป่าเข้าไปในเตาโดยใช้หัวฉีดที่เรียกว่า tuyeres แทนที่จะป้อนอากาศที่อุณหภูมิห้อง ("ลมเย็น") การอุ่นตัวเองจะเกิดขึ้นในอุปกรณ์แยกต่างหากที่เรียกว่าเตาถลุงร้อน (หรือเรียกอีกอย่างว่าเตาคาวเปอร์) และผลลัพธ์ที่ตามมาคืออากาศร้อนที่เรียกว่า "เตาระเบิดร้อน" เตาถลุงเหล็กเกือบทุกเตาที่ทำงานในปัจจุบันใช้ระบบนี้ เนื่องจากอากาศอุ่นจะลดการสิ้นเปลืองเชื้อเพลิงและเพิ่มผลผลิตได้อย่างมาก เมื่อเปรียบเทียบกับเตาถลุงเย็นที่ใช้ก่อนทศวรรษ 1830

ความแตกต่างมีความสำคัญเนื่องจากการระเบิดด้วยความร้อนไม่ได้เป็นเพียงการปรับแต่งเล็กน้อย แต่ยังเป็นหนึ่งในนวัตกรรมจำนวนหนึ่งที่ทำให้การผลิตเหล็กที่ใช้โค้กขนาดใหญ่มีศักยภาพในเชิงเศรษฐกิจตั้งแต่แรก เตาถลุงที่ป้อนด้วยอากาศอุ่นที่อุณหภูมิ 900–1,250°C สามารถสร้างอุณหภูมิการถลุงได้ประมาณ 1,650°C ซึ่งช่วยลดการใช้โค้กต่อตันของเหล็กที่ผลิตได้อย่างมาก การทำความเข้าใจว่าระบบระเบิดร้อนทำงานอย่างไร และเหตุใดอุณหภูมิของอากาศจึงมีความสำคัญมาก ถือเป็นกุญแจสำคัญในการทำความเข้าใจประสิทธิภาพของเตาถลุงเหล็กสมัยใหม่

ระบบ Hot Blast ทำงานอย่างไร

ระบบเตาถลุงเหล็กร้อนถูกสร้างขึ้นโดยมีอุปกรณ์สองชิ้นที่เชื่อมต่อกันซึ่งทำงานร่วมกัน ได้แก่ ตัวเตาถลุงที่เกิดปฏิกิริยาการถลุง และเตาถลุงร้อนซึ่งอากาศจะถูกทำให้ร้อนก่อนที่จะถึงเตาหลอม

เตาระเบิดร้อน (Cowper Stove)

โดยพื้นฐานแล้วเตาจะเป็นโครงเหล็กทรงกระบอกแนวตั้งบุด้วยอิฐไฟ โดยภายในแยกออกเป็นสองห้อง ได้แก่ ห้องเผาไหม้ซึ่งก๊าซจากเตาหลอมและแหล่งเชื้อเพลิงอื่นๆ ถูกเผา และห้องสร้างใหม่ที่เต็มไปด้วยอิฐทนไฟลายตารางหมากรุกที่ได้รับความร้อนจากก๊าซที่ถูกเผา "อิฐตรวจสอบ" ทนไฟเหล่านี้เป็นตัวกลางในการกักเก็บความร้อน โดยจะดูดซับความร้อนในระหว่างการเผาไหม้และปล่อยออกมาในภายหลังเมื่อมีอากาศบริสุทธิ์ถูกผลักผ่าน

วงจรออนแก๊สและออนระเบิด

เตาระเบิดร้อนไม่ทำงานอย่างต่อเนื่องในโหมดเดียว แต่จะสลับระหว่างสองเฟส ในช่วงระยะเวลาออนแก๊ส (การยิง) ก๊าซเชื้อเพลิงจะถูกเผาไหม้เพื่อให้ความร้อนแก่การจัดเก็บความร้อนด้วยอิฐตรวจสอบ ในระหว่างช่วงที่มีการระเบิด อากาศจะถูกทำให้ร้อนโดยการไหลผ่านห้องเก็บความร้อนนั้น ในช่วงระยะเวลาที่เกิดการระเบิด อากาศบริสุทธิ์จะถูกขับโดยพัดลมที่ความดันสูงผ่านอิฐที่ให้ความร้อน และหลังจากถูกให้ความร้อนสูงถึง 1,200°C อากาศนี้ (ซึ่งปัจจุบันเรียกว่าการระเบิดด้วยความร้อน) จะถูกป้อนเข้าที่ด้านล่างของเตาถลุงแร่เหล็กเพื่อการถลุงแร่เหล็ก

เนื่องจากเตาหนึ่งไม่สามารถให้ความร้อนกับแก๊สและอากาศร้อนในเวลาเดียวกันได้ เตาถลุงเหล็กส่วนใหญ่จึงต้องใช้เตาสามเตา ในขณะที่เตาสองเตากำลังถูกให้ความร้อน ลมแรงจะผ่านห้องสร้างใหม่ของเตาเตาที่สามระหว่างทางเข้าไปในเตาถลุงเหล็ก การหมุนนี้ช่วยให้เตาถลุงเหล็กสามารถรับอากาศร้อนได้อย่างต่อเนื่องและต่อเนื่องตลอดเวลา

จากเตาสู่ทูเยเรส

อากาศร้อนเดินทางจากเตาไปยังเตาเผาผ่านท่อที่คึกคัก ซึ่งกระจายไปยังหัวฉีดลมร้อนหรือ tuyeres ซึ่งติดตั้งอยู่รอบๆ ฐานของเตา เนื่องจากอุณหภูมิการระเบิดด้วยความร้อนจะต้องคงที่เพื่อให้เตาเผามีประสิทธิภาพดี และอุณหภูมิจะลดลงตามธรรมชาติเมื่อเตาเย็นลง การระเบิดด้วยความร้อนจะถูกผสมกับสัดส่วนที่ควบคุมได้ของการระเบิดด้วยความเย็นในห้องผสมเพื่อรักษาอุณหภูมิในการจัดส่งให้คงที่แม้ว่าความร้อนที่เก็บไว้ของเตาแต่ละเตาจะถูกใช้หมดก็ตาม

ประวัติความเป็นมาเบื้องหลังเทคโนโลยี Hot Blast

การพ่นด้วยความร้อนไม่ใช่สิ่งประดิษฐ์สมัยใหม่ - มีขึ้นในต้นศตวรรษที่ 19 และแสดงถึงความก้าวหน้าครั้งสำคัญประการหนึ่งในประวัติศาสตร์การผลิตเหล็กทางอุตสาหกรรม จนถึงคริสต์ทศวรรษ 1820 จริงๆ แล้วอากาศเย็นเชื่อกันว่าสามารถผลิตเหล็กที่มีคุณภาพดีกว่าอากาศร้อน ส่วนใหญ่เป็นเพราะความชื้นที่ลดลงในอากาศเย็นในฤดูหนาวถือว่ามีประโยชน์

การค้นพบของเนลสันในปี 1828

การระเบิดด้วยความร้อนถูกคิดค้นและจดสิทธิบัตรสำหรับเตาหลอมเหล็กโดย James Beaumont Neilson ในปี 1828 ที่ Wilsontown Ironworks ในสกอตแลนด์ เนลสันพบว่าการเพิ่มอุณหภูมิการระเบิดเป็น 300°F (149°C) เขาสามารถลดการใช้เชื้อเพลิงจากถ่านหิน 8.06 ตันเหลือ 5.16 ตันต่อตันของเหล็กที่ผลิตได้ โดยสามารถลดปริมาณการใช้เชื้อเพลิงได้อีกที่อุณหภูมิสูงขึ้น ผลลัพธ์ที่ได้นั้นน่าทึ่งและสามารถตรวจสอบได้อย่างรวดเร็วในวงกว้าง: ตัวเลขที่บันทึกไว้จาก Clyde Iron Works ระหว่างปี 1829 ถึง 1833 แสดงให้เห็นว่าการถลุงโค้กด้วยความเย็นโดยใช้ถ่านหิน 8.2 ตันต่อเหล็ก 1 ตัน และผลิตเหล็กหมูได้ 37.5 ตันต่อเตาต่อสัปดาห์ ในขณะที่การระเบิดด้วยความร้อนด้วยโค้กตัดถ่านหินใช้ถึง 5.3 ตัน และเพิ่มผลผลิตเป็น 54.9 ตันต่อสัปดาห์

การออกแบบเตา 1860 ของ Cowper

อุปกรณ์ดั้งเดิมของเนลสันมีข้อจำกัดที่แท้จริง ท่อเหล็กหล่อที่รองรับภายในเตาอบอิฐมีลักษณะการขยายตัวที่แตกต่างกัน ส่งผลให้ท่อแตกหลายจุด และอุปกรณ์จัดส่งใช้วัสดุแข็งและข้อต่อหนังที่ยืดหยุ่นซึ่งไม่สามารถทนต่ออุณหภูมิสูงได้ จนกระทั่งถึงปี 1860 ชาวอังกฤษ Edward Alfred Cowper ได้คิดค้นเตาระเบิดร้อนเครื่องแรกที่ประสบความสำเร็จ ซึ่งเป็นการออกแบบอิฐลายหมากรุกที่สร้างใหม่ได้ ซึ่งในรูปแบบที่ประณีตยังคงถือเป็นมาตรฐานอุตสาหกรรมในปัจจุบัน การนำไปใช้อย่างรวดเร็วที่ตามมานั้นน่าทึ่ง: การระเบิดร้อนถูกใช้โดยทั่วไปทั่วบริเตนใหญ่ภายในปี 1835 เพียงเจ็ดปีหลังจากการค้นพบครั้งแรกของนีลสัน

เหตุใดการอุ่นอากาศจึงช่วยลดการใช้โค้ก

เหตุผลหลักที่การระเบิดด้วยความร้อนใช้งานได้คืออุณหพลศาสตร์ที่ตรงไปตรงมา อากาศเย็นที่เข้าสู่เตาเผาจะต้องถูกทำให้ร้อนขึ้นโดยการเผาไหม้เชื้อเพลิงภายในเตาเผาก่อนที่จะสามารถทำอะไรที่เป็นประโยชน์ได้ ซึ่งทำให้โค้กสิ้นเปลืองเพียงแค่ทำให้อุณหภูมิของอากาศที่เข้ามาสูงขึ้น ด้วยการอุ่นการระเบิดของอากาศก่อนที่จะเข้าสู่เตาเผา ความร้อนที่ป้อนเข้าไปจะเพิ่มขึ้นในรูปของความร้อนสัมผัสที่ช่วยลดอัตราโค้กได้โดยตรง

การวิจัยสมัยใหม่ยืนยันว่าความสัมพันธ์ยังคงมีอยู่ในอัตราที่สามารถคาดเดาได้อย่างมาก สำหรับอุณหภูมิอากาศทางออกของการระเบิดร้อนที่เพิ่มขึ้นทุกๆ 100°C อัตราส่วนโค้กของเตาถลุงเหล็กจะลดลง 4–7% ผลผลิตจะเพิ่มขึ้น 3–5% และความสามารถในการฉีดถ่านหินจะเพิ่มขึ้นตามลำดับ ประมาณการทางอุตสาหกรรมที่แยกออกมาให้คำจำกัดความที่แน่นอน: การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิการระเบิดด้วยความร้อนทุกๆ 10°C ที่ท่อที่คึกคักจะช่วยลดอัตราโค้กของเตาถลุงเหล็กลงได้ประมาณ 4 ถึง 6 กิโลกรัมต่อตันของโลหะร้อน

นี่เป็นเหตุผลว่าทำไมการระเบิดด้วยความร้อนจึงมีความสำคัญมากกว่าเป็นทางเลือก เนื่องจากเทคโนโลยีเตาเผาก้าวหน้าไป การอุ่นด้วยระเบิดที่ประมาณ 1,200°C ขณะนี้ถือว่าจำเป็นเมื่อมีการฉีดถ่านหินที่บดแล้วผ่าน tuyeres เนื่องจากการระเบิดของอากาศร้อนช่วยให้มั่นใจได้ว่าจะได้รับความร้อนเร็วขึ้น ไพโรไลซิสของถ่านหิน และการเผาไหม้ของผลิตภัณฑ์ที่เป็นก๊าซที่เกิดขึ้น

ประเภทของการออกแบบเตาถลุงร้อน

เตาระเบิดร้อนไม่ได้ถูกสร้างขึ้นในลักษณะเดียวกันทั้งหมด ตามรูปแบบและโครงสร้างที่แตกต่างกันของห้องเผาไหม้และเครื่องกำเนิดใหม่ โดยทั่วไปเตาระเบิดร้อนจะแบ่งออกเป็นรูปแบบโครงสร้างพื้นฐานสามรูปแบบ: การเผาไหม้ภายใน การเผาไหม้ภายนอก และการเผาไหม้ด้านบน การเลือกระหว่างสิ่งเหล่านี้ส่วนใหญ่เป็นคำถามว่ามีพื้นที่ว่างเท่าใดและอุณหภูมิการระเบิดร้อนสูงสุดที่ปฏิบัติการกำหนดเป้าหมายไว้

เตาเผาไหม้ภายใน

ในการออกแบบการเผาไหม้ภายใน เตาประกอบด้วยผนังทนไฟทรงกระบอกพร้อมผนังกั้นแนวตั้งภายในที่แบ่งเปลือกเดี่ยวออกเป็นห้องเผาไหม้และห้องตรวจสอบที่ประกอบด้วยอิฐตรวจสอบ รูปแบบนี้เป็นรูปแบบดั้งเดิมที่มีขนาดกะทัดรัดกว่า แต่ก็มีข้อจำกัดด้านโครงสร้าง: การออกแบบห้องเผาไหม้ภายในที่มีผนังกั้นมีจุดอ่อนที่ทราบกันว่าอยู่ที่มุมห้องเผาไหม้

เตาเผาไหม้ภายนอก

เตาเผาไหม้ภายนอกประกอบด้วยห้องตรวจสอบและห้องเผาไหม้แยกจากกัน เชื่อมต่อกันด้วยครอสโอเวอร์แทนที่จะเป็นผนังภายในที่ใช้ร่วมกัน การแยกห้องทั้งสองออกเป็นเปลือกที่แตกต่างกันจะขจัดจุดอ่อนของความเค้นที่มุมของการออกแบบภายใน และโดยทั่วไปจะรองรับอุณหภูมิสูงสุดที่สูงขึ้น

เตาเผาไหม้แบบท็อป(โดม)

เตาประเภทใหม่ไม่มีห้องเผาไหม้ตามความหมายทั่วไป สิ่งเหล่านี้เรียกว่าเตาสันดาปแบบโดม เตาแบบไม่มีเพลา หรือเตาคาลูกิน โดยรวมแล้ว เทคโนโลยีเตาถลุงร้อน โดยเฉพาะอย่างยิ่งการออกแบบและคุณภาพของวัสดุทนไฟ ได้รับการปรับปรุงอย่างมากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา โดยถึงระดับของวุฒิภาวะที่รับประกันอายุการใช้งานของแคมเปญที่มากกว่า 30 ปีสำหรับเตาที่สร้างขึ้นอย่างดี

วัสดุทนไฟที่ใช้ในเตาหลอมร้อน

เนื่องจากโซนต่างๆ ของเตามีอุณหภูมิที่แตกต่างกันมาก จึงไม่สามารถใช้อิฐทนไฟเดี่ยวๆ ได้ตลอด การเลือกวัสดุจะแบ่งชั้นตามอุณหภูมิที่แท้จริงของแต่ละส่วนของห้องตรวจสอบ

• เมื่ออุณหภูมิเป้าหมายของเตาระเบิดร้อนต่ำกว่า 900°C โดยทั่วไปอิฐดินเผาธรรมดาก็เพียงพอแล้ว
• สำหรับอุณหภูมิเป้าหมายระหว่าง 900°C ถึง 1,100°C ผนังบุที่มีอุณหภูมิสูงและวัสดุทนไฟ Checker ควรก้าวขึ้นไปถึงอิฐทนไฟอลูมินาสูง อิฐมัลไลท์ หรืออิฐซิลิมาไนต์
• โดยทั่วไปแล้วส่วนบนของรีเจนเนอเรเตอร์ซึ่งมองเห็นความร้อนสูงสุดจะถูกสร้างขึ้นจากอิฐตรวจสอบซิลิกา ในขณะที่ส่วนตรงกลางใช้อิฐอลูมินา มัลไลต์ ซิลลิมาไนต์ และแอนดาลูไซต์ที่มีการคืบต่ำสูง และส่วนล่างใช้อิฐดินเผา

วิธีการแบบหลายชั้นนี้ — จับคู่เกรดวัสดุทนไฟกับความร้อนจริงที่แต่ละโซนสัมผัส — เป็นสิ่งที่ช่วยให้เตาเดี่ยวสามารถจัดการกับการไล่ระดับอุณหภูมิได้อย่างปลอดภัยซึ่งครอบคลุมหลายร้อยองศาจากบนลงล่าง

ข้อพิจารณาการใช้พลังงานและประสิทธิภาพ

เตาถลุงร้อนช่วยประหยัดโค้กได้จำนวนมหาศาล แต่เตาถลุงเหล็กเหล่านี้เองก็ใช้พลังงานจำนวนมาก ซึ่งเป็นข้อเท็จจริงที่มักถูกมองข้ามเมื่อประเมินประสิทธิภาพโดยรวมของเตาถลุงเหล็ก ปริมาณก๊าซเตาถลุงที่เตาต้องการคิดเป็นประมาณ 40% ของปริมาณก๊าซที่ปล่อยออกมาจากเตาถลุงทั้งหมด และการใช้พลังงานของเตาสามารถสูงถึง 25% ของการใช้พลังงานรวมของโรงงาน

เมื่อพิจารณาต่อตัน ตัวเลขก็บอกได้เท่าๆ กัน: จากข้อมูลจากระบบเตาถลุงร้อนที่มีประสิทธิภาพหกระบบทั่วโลก ความต้องการพลังงานหลักทั้งหมดโดยเฉลี่ยอยู่ที่ 1.8 กิกะจูลต่อโลหะร้อนสำหรับเตาถลุงร้อน เปรียบเทียบกับ 11.6 กิกะจูลต่อตันสำหรับเตาถลุงเหล็กเอง ซึ่งหมายความว่าระบบเตา แม้ว่าในแง่พลังงานสัมบูรณ์จะน้อยกว่าเตาเผา แต่ยังคงแสดงถึงส่วนแบ่งการใช้พลังงานของพืชทั้งหมดอย่างมีความหมายและควบคุมได้ และเป็นระบบที่ประสิทธิภาพที่ได้รับแปลโดยตรงเป็นการประหยัดโค้ก

การปรับปรุงเชิงปฏิบัติที่โรงงานปฏิบัติการได้แสดงให้เห็นสิ่งนี้ในจำนวนจริงมากกว่าในทางทฤษฎี ผลลัพธ์ที่บันทึกไว้จากการเพิ่มประสิทธิภาพแบตเตอรี่เตาที่ผู้ผลิตเหล็กบูรณาการในสหรัฐฯ ได้แก่ การลดอัตราเชื้อเพลิงของเตาลง 8 ถึง 15 กิโลกรัมต่อตันของโลหะร้อน และอุณหภูมิการระเบิดด้วยความร้อนเพิ่มขึ้น 15°C ถึง 30°C แปลเป็นการลดอัตราโค้กประมาณ 6 ถึง 12 กิโลกรัมต่อตันของโลหะร้อน

พารามิเตอร์การทำงานที่สำคัญในการตรวจสอบ

สำหรับใครก็ตามที่ปฏิบัติงานหรือประเมินระบบเตาหลอมเหล็กร้อน พารามิเตอร์จำนวนหนึ่งจะกำหนดอย่างสม่ำเสมอว่าเตาทำงานได้ดีเพียงใด และจุดใดที่ได้รับหรือสูญเสียประสิทธิภาพ

1. อุณหภูมิการส่งแรงระเบิดร้อนที่ท่อที่มีเสียงดัง โดยทั่วไปจะอยู่ระหว่าง 900 ถึง 1,300°C ขึ้นอยู่กับการออกแบบและสภาพของเตา และเป็นอุณหภูมิเดียวที่ใหญ่ที่สุดสำหรับอัตราโค้ก
2. อุณหภูมิห้องเผาไหม้ — ก๊าซเสียจะถูกผสมกับอากาศและเผาที่อุณหภูมิสูงถึง 1,500°C ก่อนเข้าสู่ส่วนจัดเก็บอิฐตรวจสอบ
3. ความยาวรอบการหมุนเตา — โรงงานส่วนใหญ่จะใช้เตา 3 เตาในรอบการทำความร้อน 20 นาที หรือเตา 4 เตาในรอบ 15 นาที และการกำหนดเวลาให้ถูกต้องจะส่งผลโดยตรงต่อความสม่ำเสมอของอุณหภูมิการระเบิดที่ส่งเข้ามา
4. แรงดันระเบิดที่หน้าอิฐตรวจสอบ — โดยทั่วไปแล้วอากาศบริสุทธิ์จะถูกขับผ่านอิฐที่แรงดันสูงถึง 10 บาร์ในระหว่างช่วงที่มีการระเบิด
5. สภาพอิฐตรวจสอบและอายุการใช้งานของวัสดุทนไฟ — การย่อยสลายที่นี่จะลดประสิทธิภาพการถ่ายเทความร้อนได้ดีก่อนที่จะมองเห็นได้ในตัวเลขเอาต์พุต ซึ่งเป็นเหตุผลว่าทำไมการตรวจจับตั้งแต่เนิ่นๆ ผ่านการวิเคราะห์ก๊าซไอเสียจึงกลายเป็นแนวทางปฏิบัติในการตรวจสอบมาตรฐาน