Машиностроение и механика

Article Index
Металлургические печи: основы тепловой работы печей, нагревательные и термические печи
Теплотехническое содержание понятия промышленная печь
Классификация печей по принципу теплогенерации
Классификация печей по технологическому назначению и по режиму работы
Понятия о тепловой мощности печи
Показатели тепловой работы печей
Замена в печи одного топлива другим
Конструкции и тепловые режимы печей
Нагревательные колодцы. Режимы нагрева слитков в нагревательных колодцах
Устройство и работа регенеративных нагревательных колодцев
Устройство и работа рекуперативных нагревательных колодцев с отоплением из центра подины
Устройство и работа рекуперативных нагревательных колодцев с верхней горелкой
Нагревательные печи металлургии. Методические печи прокатного производства
Конструкции толкательных печей
Конструкции печей с шагающим подом
Конструкции печей с шагающими балками
Конструкции кольцевых печей
Конструкции секционных печей
Термические печи. Характерные режимы термообработки
Термические печи камерного типа
Камерная печь с выкатным подом
Камерная печь с неподвижным подом
Колпаковая печь. Приблизительные материальные и тепловые балансы
Термические печи проходного типа
Роликовая печь. Приблизительные материальные и тепловые балансы
Протяжная печь
Недостатки вертикальной печи
All Pages

Основы тепловой работы печей

Развитие науки о печах: гидравлическая теория В.Е. Грум-Гржимайло, энергетическая теория Н.Н. Доброхотова-И.Д. Семикина

Одной из первых теорий, объединявших представления о промышленных пламенных печах, была гидравлическая теория пламенных печей Михаила Васильевича Ломоносова, развитая профессором Владимиром Ефимовичем Грум-Гржимайло в 1909-1910 гг. в гидравлической теории расчёта пламенных печей на основе применения законов гидравлики к движению печных газов. В те времена печи работали на твердом и иногда на жидком и газообразном топливе. Преобладающим движением дымовых газов было естественное движение под действием тяги дымовой трубы. Топка отделялась от рабочего пространства печи пламенным окном. Вентиляторов обычно не было. Поэтому воздух входил в топку под действием естественной тяги. Печи, работающие на таком принципе, назывались самодувные.

Основные положения гидравлической теории расчёта пламенных печей (в кавычках выделены формулировки из книги Грум-Гржимайло В.Е. "Пламенные печи", 1932 г.):

1. Главный фактор успешной работы печи – организация движения продуктов сгорания в рабочем пространстве печи. Это положение актуально и сейчас.

2. "Движение пламени в печах подчиняется законам движения легкой жидкости в тяжелой (пламени в наружном воздухе)". Таким образом, печные газы движутся в рабочем пространстве, прижимаясь к своду. "Всякое движение всякой жидкости есть результат расхода напора", т.е. движение газов происходит под действием тяги дымовой трубы.

3. Для успешной работы печи дымовые окна для удаления дыма из рабочего пространства печи должны располагаться на уровне пода или в поду. "Отработавшие печные газы должны направляться кратчайшим путем в дымовую трубу. Под должен быть тщательно канализирован. Должно избегать мешка холодных газов на поду".

4. "Подсводовое пространство есть идеальная сожигательная камера; в интересах правильности протекания реакции горения, правильности и равномерности нагрева предметов, расположенных на поду, рекомендуется делать печи с высоким сводом". Чтобы газы успели охладиться в пределах рабочего пространства печи, т.е. успели передать как можно больше теплоты нагреваемым материалам, время пребывания газов в рабочем пространстве печи – t_преб – должно быть продолжительным, а скорость газов – W_д – минимальна

t_преб = L_печи / W_д и W_д = v_д / F_сеч, (7.1)

где L_печи – длина печи [м]; v_д – расход дыма [м³/с]; F_сеч – площадь сечения печи для прохода дыма [м²].

Гидравлическая теория предлагала следующую методику расчета печей: вводилось понятие скорости падения температуры пламени (дымовых газов) от калориметрической температуры t_кал до температуры уходящих из печи газов t_ух за время пребывания газов в рабочем пространстве печи t_преб

С_пад = (t_кал - t_ух) / t_преб. (7.2)

Исходя из известной скорости падения температуры всегда можно найти температуру уходящих газов и рассчитать тепловой баланс печи.

Принципиально новой явилась, так называемая, общая теория печей академика Николая Николаевича Доброхотова, разработанная в 1923-27 годах. Он впервые показал, что движение газов в печах имеет турбулентный, а не ламинарный характер, в связи с чем процессы смешения газов и горения топлива протекают по законам турбулентного, а не ламинарного потока. Основные положения теории заключаются в следующем:

1. Для улучшения теплопередачи конвекцией и излучением газы должны двигаться в рабочем пространстве печи как можно ближе к поверхности нагреваемых предметов с возможно большей скоростью. Для этого печи нужно строить с небольшим поперечным сечением рабочего пространства;

2. Горение топлива при высоких температурах определяется условиями смешения его с кислородом воздуха. Химическая реакция горения протекает очень быстро и не лимитирует скорость процесса сжигания топлива;

3. Длина турбулентного факела пропорциональна диаметру топливной струи и не растет с увеличением тепловой нагрузки при постоянном соотношении топлива и воздуха;

4. Геометрический напор газов в печах мал по сравнению с кинетической энергией газов. Влиянием геометрического напора можно пренебречь, при этом можно учитывать только силы инерции и кинетическую энергию газовых потоков;

5. Тепловую мощность печи необходимо определять количеством не только подаваемого в нее топлива, но и кислорода, потребляемого печью для сжигания топлива. Недостаток подаваемого кислорода для полного горения топлива не позволяет использовать всю мощность;

6. Очень важное значение имеет выбор системы транспортировки перерабатываемых и получаемых в печи материалов, которая определяет тип печи и является главной ее особенностью.

Эта теория открыла новые направления в конструировании компактных печей с принудительным движением газов. Печи стали работать на жидком и газообразном топливе, появились вентиляторы, исчезли отдельно расположенные топки. Эта теория работала в период индустриализации страны, когда главным требованием промышленности была высокая производительность печей несмотря на повышенный расход топлива. Большинство положения общей теории Н.Н. Доброхотова действительно и по сегодняшний день.

В работу по развитию общей теории печей включились многие ученые, способствуя своими исследованиями появлению новых разделов, связанных с моделированием работы печей, созданию новых методов расчета промышленыx печей для различных технологических процессов.

Среди работ, отражающих развитие теории печей в 30-х годах, следует назвать труды профессора Иосифа Даниловича Семикина, который, опираясь на исследования, выполненные в начале 1910-х годов инженером Николаем Евгеньевичем Скаредовым, выдвинул в 1930 г. лозунг "Успех решает большая тепловая мощность". Попутно можно отметить, что научная заслуга Н.Е.Скаредова заключается в том, что он показал и доказал следующее: различие в работе одинаковых мартеновских печей определяется их разной тепловой мощностью. Впервые им установлено, что тепловая мощность является главнейшим фактором, определяющим работу всякой печи.

В 1934 г. свои взгляды на тепловую работу печей И.Д.Семикин назвал энергетической теорией печей в противовес гидравлической теории В.Е.Грум-Гржимайло.

Основные положения энергетической теории

1. Необходимо проектировать и строить печи с увеличенной тепловой мощностью. Это основное условие высокой производительности работы печи.

2. Для достижения высокой тепловой мощности необходимо увеличивать тягу печи за счет строительства высоких дымовых труб и увеличения мощности дымососов, увеличивать поверхности теплообмена теплоутилизирующих устройств для повышения температуры нагрева воздуха и др.

Реализация на практике положений энергетической теории печей, как ранее гидравлической теории, показала недостаточность одностороннего подхода к решению проблем, существующих в металлургических печах, главными из которых являются сокращение удельного расхода топлива и повышение удельной производительности.

Профессор Марк Алексеевич Глинков, использовав достижения современной науки и техники, учтя ошибки и недостатки гидравлической и энергетической теорий печей, создал в 1959-1962 годах свою, новую общую теорию печей. Основой этой теории стал основной принцип: предметом теории печей должно быть комплексное исследование трех связанных между собой процессов, происходящих в печах:

1. Сжигание топлива.

2. Движение печных газов.

3. Теплопередача от газов к нагреваемым материалам.

Теплотехническое содержание понятия промышленная печь, процессы, происходящие в печах

Любая печь, как энергетический агрегат, может быть представлена общей схемой: "источник энергии" ® "теплота" ® "объект тепловой обработки (материалы)". В этой общей схеме должны быть звенья, соединяющие источник энергии с объектом её приложения.

В топливной печи эти звенья представлены наиболее полно. Можно выделить следующие четыре звена тепловой работы топливной печи:

1) сжигание топлива, т.е. превращение химической энергии топлива в теплоту, носителями которой являются продукты горения – дымовые или печные газы;

2) движение печных газов, с помощью которого теплота переносится во все зоны рабочего пространства, а отработанные газы уходят из печи;

3) внешняя теплопередача, т.е. передача теплоты от печных газов излучением и конвекцией на поверхность нагреваемых материалов;

4) внутренняя теплопередача от поверхности материалов (кусков, массивных изделий) к их середине теплопроводностью.

В электрических печах некоторые звенья схемы будут отсутствовать. Например, в них нет горения топлива и движения газов.

Классификация печей: по принципу теплогенерации, по технологическому назначению, по конструктивным отличиям

Классификация печей по принципу теплогенерации

Генерация теплоты в печи происходит путем превращения химической или электрической энергии в теплоту. В зависимости от источника тепловыделения печи делятся на топливные, автогенные и электрические.

Топливные печи. В топливных печах источником теплоты является химическая энергия твердого, жидкого или газообразного топлива. Теплота выделяется в результате сгорания топлива. Теплоносителями являются газообразные продукты сгорания топлива – дымовые газы.

Топливные металлургические печи подразделяются на два класса: пламенные и слоевые. Рабочее пространство пламенных печей в малой степени заполнено обрабатываемым материалом, который располагается на поду. Основной объем рабочего пространства заполнен пламенем и дымовыми газами, передающими теплоту материалу. Современные пламенные печи работают на газообразном или на жидком топливе – мазуте. Для сжигания газообразного топлива служат горелки, для сжигания мазута – форсунки. К классу пламенных печей относятся сталеплавильные (мартеновские) печи, разнообразные печи прокатного и кузнечно-прессового производства: нагревательные колодцы, методические, кольцевые, роликовые печи, печи с выкатным подом.

Известны три разновидности слоевых топливных печей: с плотным, "кипящим" и со взвешенным слоем обрабатываемого материала.

В вертикальных шахтных печах с плотным слоем шихта, в состав которой может входить и твердое кусковое топливо, расположена по всему объему печи и медленно опускается сверху вниз. Горячие газы – продукты горения топлива – движутся через слой между кусками шихты снизу вверх, т.е. в противотоке. Шахтные печи с плотным слоем шихты широко распространены в металлургии. К ним относятся доменные печи, вагранки, печи для производства извести путем обжига известняка.

В печах с "кипящим" слоем под действием движущихся снизу вверх газов размельченная шихта, в состав которой может входить и размельченное топливо, разуплотняется. Отдельные частицы шихты потоком газов поднимаются над слоем подобно кипящей жидкости. Иногда вместе с воздушным дутьем снизу в печь подают газообразное топливо. В основном эти печи используют в цветной металлургии для обжига и сушки материалов.

В печах со взвешенным слоем обрабатывают материалы, доведенные до пылевидного состояния. Каждая частица материала находится во взвешенном состоянии под действием потока газов, идущего снизу вверх, и движется вместе с потоком. Применяют в этих печах размолотое и газообразное топливо. В основном эти печи используют в цветной металлургии для плавки сульфидов цветных металлов.

Автогенные печи. Источником теплоты в этих печах является тепловой эффект экзотермических реакций окисления и горения ряда элементов, содержащихся в обрабатываемых материалах. В черной металлургии примером автогенных печей являются кислородные, сталеплавильные конвертеры и двухванные сталеплавильные печи. В них при продувке жидкого чугуна кислородом происходит окисление углерода и ряда других элементов с выделением теплоты. Этот процесс не требует расхода топлива.

В мартеновской печи, наряду с выделением теплоты сгорания топлива, происходит тепловыделение от окисления углерода и других элементов, содержащихся в жидкой ванне. Такие печи занимают промежуточное положение между топливными и автогенными печами.

Электрические печи. По способу преобразования электрической энергии в теплоту можно выделить три класса печей, применяемых в металлургии: электродуговые, индукционные и печи сопротивления.

В дуговых печах используется принцип пропускания электрического тока через газовый промежуток между двумя электродами. Под действием электрического напряжения газ между электродами ионизируется и становится электропроводным. При этом в газовом промежутке возникает электрическая дуга, представляющая собой яркосветящуюся смесь электронов, положительных ионов, атомов и молекул. Дуга является зоной, в которой энергия электричества преобразуется в теплоту, при этом температура дуги составляет от 3000 до 20000 К.

В индукционных печах используется свойство переменного электрического тока создавать вокруг проводника переменное магнитное поле. Если поместить в такое поле нагреваемое тело, являющееся проводником, то в нем будут индуктироваться вихревые токи. Энергия вихревых токов преобразуется в теплоту, которая выделяется внутри нагреваемого тела.

Работа так называемых печей сопротивления основана на действии закона Джоуля-Ленца, согласно которому при протекании тока в проводнике выделяется теплота, пропорциональная его электрическому сопротивлению. В печах сопротивления можно использовать постоянный и переменный ток.

В металлургии электрические печи применяют для выплавки стали, производства ферросплавов, для нагрева металла перед обработкой давлением и при термической и термохимической обработке металлоизделий.

Классификация печей по технологическому назначению и по режиму работы

По технологическому назначению металлургические печи разделяют на плавильные и нагревательные.

Плавильные печи служат для получения и переплавки металлов. В этих печах материалы, как правило, изменяют своё агрегатное состояние. Плавильные печи могут быть чугуноплавильными, сталеплавильными, медеплавильными и т.д.

Нагревательные печи служат для нагрева материалов без изменения их агрегатного состояния. Нагревательные печи применяют в металлургии для обжига огнеупорных изделий, известняка, магнезита, для сушки материалов, для придания металлу пластических свойств перед обработкой давлением, для термической обработки металла с целью изменения его структуры и механических свойств.

По режиму работы печи можно разделить на два класса: непрерывного и периодического (циклического) действия.

К печам непрерывного действия относятся рудовосстановительные дуговые печи, шахтные слоевые печи, такие печи прокатного производства, как методические печи с шагающими подом или балками, кольцевые и роликовые печи. В этих печах технологический процесс идет непрерывно, материалы, как правило, перемещаются от загрузочных устройств к устройствам для выпуска готовой продукции.

К печам периодического действия относятся сталеплавильные дуговые и мартеновские печи, конвертеры, нагревательные колодцы, садочные камерные печи с выкатным и с неподвижным подом, применяемые в кузнечно - прессовом производстве и в термических печах и отделениях. Эти печи работают циклами. Цикл состоит из последовательных операций загрузки шихты или изделий, их тепловой обработки и затем выпуска или выгрузки готовой продукции.

Понятия о тепловой мощности печи, виды мощностей: холостого хода, усвоенная, рабочая, общая.

Связь между тепловыми мощностями, особенности записи для печей непрерывного и периодического действия

 

Как всякая энергетическая установка печь характеризуется мощностью.

Тепловой мощностью печи называют количество теплоты, которое выделяется в печи в единицу времени при полном сгорании топлива или за счет расхода электрической энергии.

Единицей измерения мощности является Вт = Дж/с. Часть мощности, потребляемой печью, расходуется на совершение полезной работы – нагрев материалов. Она поглощается материалами и поэтому называется усвоенной мощностью М_усв, другая часть вынужденно теряется в окружающую среду – М_пот. Поэтому принято называть тепловую мощность печи общей мощностью

М_общ = М_усв + М_пот. (7.3)

Общая мощность топливной печи выражается через расход топлива, измеряемый расходомером в м³/ч (м³/с) - для газообразного топлива или в кг/ч (кг/с) – для жидкого топлива. Расход твердого топлива определяют путем взвешивания.

Если обозначить расход топлива В, то

, Вт. (7.4)

7.4.1 Виды тепловых потерь печи. Тепловой баланс

В печной системе имеются два вида потерь теплоты: 1) потери в рабочем пространстве печи – М_прп и 2) теплота, уносимая из печи уходящими дымовыми газами М_ух.

Теплота в рабочем пространстве теряется, во-первых, на нагрев футеровки, т.е. огнеупорного ограждения печи, иначе говоря аккумулируется футеровкой, она обозначается М_ак.ф; во-вторых, проходит насквозь через футеровку благодаря теплопроводности, и уходит в цех излучением и конвекцией от разогретой внешней поверхности футеровки – М_пот.ф; в-третьих, теплота теряется излучением через открытые окна печи – М_окн; в-четвертых, расходуется на нагрев воды, которая охлаждает металлические элементы конструкции печи, работающие при высокой температуре – М_охл.в. В целом

. (7.5)

В электропечах имеется один вид потерь – потери в рабочем пространстве печи, поэтому для электропечей в (7.3) М_пот = М_прп.

Топливная печь, наряду с потерями в рабочем пространстве печи, имеет и второй вид потерь – с уходящими из рабочего пространства продуктами горения топлива – М_ух. Эти потери состоят из физической теплоты горячих газов М_ух.ф и могут включать неиспользованную химическую энергию топлива вследствие неполного его сгорания в печи (недожога) – М_хн.

Таким образом, для топливных печей мощность М_пот в выражении (7.3) будет равна М_пот = М_прп + М_ух. Тепловой баланс топливной печи будет таким

. (7.6)

Электрические печи по сравнению с топливными должны быть более экономичны по расходу топлива, так как в них нет потерь с уходящими газами, однако не следует забывать, что при производстве электроэнергии на тепловых электростанциях были свои тепловые потери, в том числе с уходящими в атмосферу газами.

Теплота газов, уходящих из рабочего пространства, необязательно полностью теряется в атмосферу. В современных топливных печах часть теплоты дымовых газов используют для подогрева воздуха, а иногда и газообразного топлива, которые направляются в горелочные устройства печи, т.е. теплота дымовых газов частично возвращается в рабочее пространство печи в виде физической теплоты воздуха – М_ф.в и топлива – М_ф.т. Этот процесс передачи теплоты дыма воздуху или топливу происходит в специальных устройствах – теплообменниках двух типов: рекуператорах и регенераторах, которые устанавливают в дымовых каналах между рабочим пространством печи и дымовой трубой. Потери теплоты с газами, уходящими в атмосферу – М_ух.атм, будут меньше по сравнению с потерями на выходе из рабочего пространства М_ух, а именно

.

Тепловой баланс топливной печи окончательно будет иметь вид

. (7.7)

В крупных печах, например, в мартеновских и двухванных, теплоту уходящих газов используют для получения водяного пара, для чего за печами устанавливают котлы-утилизаторы.

Потери теплоты в рабочем пространстве печи также стремятся уменьшить прежде всего путем применения футеровки с лучшими теплофизическими свойствами – с меньшей теплоемкостью и теплопроводностью.

Существуют проекты так называемых безинерционных печей, ограждение которых отражает обратно в печь падающее на него из печи тепловое излучение, т.е. имеет свойство теплового зеркала. Существуют печи с испарительным охлаждением, в которых вода в водоохлаждаемых элементах печи превращается в пар, используемый в системе отопления помещений. Предложены схемы печей, в которых теплота, прошедшая через футеровку, передается воздуху, который также может быть полезно использован.

 

Тепловой дефицит процесс

Тепловой дефицит – это количество теплоты, которое нужно сообщить исходным материалам, чтобы превратить их в 1 кг (или 1 т) конечного продукта. В условиях постоянного давления среды это количество теплоты равно приращению удельной энтальпии Dі = і_к – і_н, Дж/кг, где і_к – энтальпия конечного продукта на выходе из печи, Дж/кг; і_н – энтальпия материала при загрузке в печь, Дж/кг конечного продукта.

Чем больше Dі, тем больше предстоящая тепловая работа печи, тем продолжительнее время тепловой обработки t_тепл, тем ниже производительность печи.

Например, при нагреве холодных слитков и заготовок перед обработкой давлением Dі = 800-900 кДж/кг (МДж/т), в мартеновской или дуговой сталеплавильной печи Dі = 1500-1900 кДж/кг (МДж/т) жидкой стали, в доменной печи Dі = 10500-12500 кДж/кг (МДж/т) жидкого чугуна.

Чтобы уменьшить расход топлива или электричества, нужно стремиться к уменьшению теплового дефицита путем сохранения энтальпии, полученной материалом в предыдущем металлургической переделе: жидкий чугун при выплавке стали, горячие слитки с жидкой сердцевиной при нагреве их перед прокаткой и т.д.

 

Показатели тепловой работы печей

Основные показатели работы печей: производительность, расход теплоты (условного топлива) на единицу продукции, КПД печи, их взаимосвязь

Масса готовой продукции, выдаваемая из печи за единицу времени, называется производительностью печи Р (т/ч, т/сутки, т/год, кг/с). Если ёмкость печи, т.е. масса материалов, находящихся в рабочем пространстве, равна Е (кг), а продолжительность обработки материалов в печи (длительность плавки или нагрева металла) равна t (с), то

. (8.1)

Продолжительность обработки материалов в печи t включает в себя время теплотехнического процесса t_тепл, необходимое для нагрева или плавления, а также время технологических операций t_техн, если эти операции проводятся в рабочем пространстве печи, т.е. t = t_тепл + t_техн. Если же технологический процесс происходит за пределами печи (внепечная обработка жидкого металла в ковше, прокатка, ковка, штамповка), то t = t_тепл.

Удельная производительность печи показывает, сколько продукции (кг) получается с единицы площади пода или с единицы объема рабочего пространства за единицу времени (кг/(м²ч); т/(м³сутки)). Такие термины, как «съем металла», «напряженность пода» выражают удельную производительность печи. Иногда, например, при выплавке чугуна в доменной печи пользуются обратным показателем – КИПО – коэффициент использования полезного объема, который показывает, какой полезный объем печи требуется для выплавки 1 т чугуна в сутки.

Расход теплоты на единицу продукции

Сущность энергосберегающих мероприятий при эксплуатации печей состоит в сокращении расхода энергии на единицу продукции, который мы называем удельным расходом энергии "b". Чтобы вычислить "b" в печи непрерывного действия, нужно М_общ разделить на производительность

b, Дж/кг. (8.1)

Для печей циклического действия

, поскольку ,

где Е ‑ садка печи, т.е. масса металла находящегося на подине печи; Q_общ ‑ количество энергии, затраченное на тепловую обработку садки печи; ‑ средняя тепловая мощность печи за время тепловой обработки садки; t ‑ время тепловой обработки садки (время полного цикла обработки садки).

Нам известно, что

,

поэтому

. (8.2)

Полученная формула дает возможность проанализировать пути уменьшения удельного расхода энергии. Для печей циклического действия формула для "b" запишется аналогично (8.2)

,

где ‑ КИТ, усредненный за время тепловой обработки садки; , , – усредненные значения удельной энтальпии подогретого воздуха, топлива и уходящих газов за время тепловой обработки садки; ‑ тепловая мощность холостого хода печи, усредненная за время тепловой обработки садки.

Формула (8.2) показывает, что удельный расход энергии состоит из двух слагаемых, которые представляют собой "прямые расходы энергии" на технологический процесс и "накладные расходы" на содержание печи в рабочем состоянии. Первое слагаемое выражает прямой расход энергии. Он не зависит от производительности печи и всецело определяется тепловым дефицитом: чем меньше тепловой дефицит, тем меньше энергии требуется на нагрев материалов. Возможности уменьшения Di весьма велики: использование жидкого чугуна при выплавке стали, горячий посад слитков, литейно-прокатные комплексы, "транзитная" прокатка, обогащение руд для получения металла, уменьшение количества шлака, предварительный обжиг флюсов.

Второе слагаемое – "накладные расходы энергии" –– зависит от производительности печи. Во время простоя печи, когда Р = 0, а М_хх ¹ 0, удельный расход энергии стремится к бесконечности. Чем больше производительность печи, тем меньше "накладные расходы", если рост Р достигается уменьшением простоев печи на холостом ходу. Если же рост производительности происходит за счет увеличения общей тепловой мощности, то удельный расход топлива сокращается до тех пор, пока в дроби b производительность (знаменатель) растет быстрее, чем мощность (числитель).

Однако с ростом М_общ рост производительности постепенно затухает (см. рис. 8.1), так как с повышением мощности увеличивается температура печных газов и, следовательно, возрастают потери М_прп, которые пропорциональны температуре печных газов и уменьшается h_кит. Это значит, что при некоторой критической (оптимальной) производительности рост мощности холостого хода превышает прирост производительности печи и происходит увеличение удельного расхода энергии. Чтобы минимизировать "b", нужно эксплуатировать печь при оптимальной производительности и соответствующей оптимальной тепловой мощности.

Рис. 8.1 – Зависимость производительности печи от ее тепловой мощности

Формула (8.2) показывает также, что сокращение М_прп и повышение h_кит однозначно приводят к снижению удельного расхода энергии. Снижение потерь теплоты в рабочем пространстве достигается путем изготовления тепловой изоляции из современных волокнистых изделий. Поверхности водоохлаждаемых балок и труб изолируются легкими волокнистыми муллитокремнеземистыми изделиями с оболочкой из огнеупорного бетона.

Особенно эффективно применение шамотных волокнистых плит для футеровки термических печей циклического действия, так как при регулярно повторяющемся разогреве печи в начале каждого цикла уменьшаются потери теплоты, которую поглощает (аккумулирует) футеровка. Так, замена шамотной футеровки на волокнистую в закалочной печи с выкатным подом площадью 14 м² уменьшает расход природного газа, которым отапливается эта печь, на 43%.

В топливных печах существенную экономию энергии можно получить путем повышения коэффициента использования теплоты КИТ.

Усвоенная тепловая мощность и КПД печи

Зная производительность печи Р и тепловой дефицит Dі, можно найти усвоенную мощность, т.е. количество теплоты, поглощенное материалами в печи за единицу времени , Вт.

Отношение усвоенной тепловой мощности М_усв к общей мощности, потребляемой печью М_общ, называют коэффициентом полезного действия печи (КПД) . При этом не учитываются затраты электроэнергии на привод механизмов, обслуживающих печь: вентиляторов, дымососов, загрузочных и транспортирующих устройств. Поэтому h_кпд показывает только степень полезного использования энергии в рабочем пространстве агрегата. При экономической оценке различных печей необходимо учитывать все затраты энергии на их эксплуатацию.

Величина КПД колеблется в широких пределах. Наиболее низок это показатель в печах, где приходится выдерживать нагретый или расплавленный металл для осуществления технологических процессов в течение длительного времени. Например, в термических печах КПД может быть на уровне 8-10 %, а в современных нагревательных печах он может составлять 50-85%.

Составление тепловых балансов печей, особенности записи для печей непрерывного и периодичекого действия

Суть теплового баланса печи состоит в сопоставлении статей прихода те­плоты в печь со статьями расхода. По закону сохранения энергии приход теплоты должен быть равен расходу. Возможна некоторая неувязка в балансе (~1 %), обязанная неточности арифметических расчётов. В печах с непрерывной выдачей продукции тепловой баланс печи составляют за один час. В печах с циклической работой баланс относят к длительности цикла.

После определения статей теплового баланса сумма приходных статей вычитается из суммы расходных. Устанавливается неувязка в балансе, которая служит проверкой точности составленного баланса. Все статьи прихода и расхода выражаются как в единицах энергии (Дж), так и в процентах от суммы. Часто все статьи баланса рассчитывают на единицу продукции (Дж/кг), что дает возможность сравнивать между собой абсолютные величины статей баланса в печах разной производительности.

Замена в печи одного топлива другим

Переход от одного топлива к другому требует проверочного расчета: не­обходимо выяснить, может ли новое топливо создать в печи рабочую температуру и обеспечить существующую производительность и что надо сделать для этого. Если производительность печи – Р (кг/с), то теплота, усвоенная технологическим процессом за единицу времени, будет P×Di = М_усв (Вт), где Di (Дж/кг) – удельный тепловой дефицит на единицу продукции. Если тепловые потери рабочей камеры были М_прп (Вт), то общее количество рабочей теплоты, оставленной в печи первым топливом, будет М_усв + М_прп = P×Di + М_прп. При любом другом топливе желательно выполнить эту работу печи за единицу времени, т.е. сохранить производительность печи. При первом топливе, КИТ которого h_кит1 нужно развить общую тепловую мощность печи М_общ1.

При втором топливе

Так как P×Di + М_прп = const, то M_общ1×h_кит1 = M_общ2×h_кит2. Таким образом, если известна общая тепловая мощность печи и КИТ – M_общ1×h_кит1, для первого топлива, то необходимая тепловая мощность печи для второго топлива определяется просто:

где: M_общ1×h_кит1 – рабочая теплота, оставленная в печи первым топливом; – теплота сгорания первого топлива, Дж/м³, Дж/кг; В₁ – часовой расход первого топлива м³/с, кг/с; , В₁ – то же самое для второго топлива.

Следует особо отметить, что при переходе от одного топлива к другому меняется не только теплота сгорания топлива , но также условия горения и теплопередачи, т.е. характеристика факела, который может удлиняться или укорачиваться, делаться прозрачным или светящимся, изменяется состав продуктов горения (СО₂, Н₂О), а, следовательно, и степень их черноты – e_газ. Всё это вызовет изменение конечной температуры продуктов горения, покидающих рабочее пространство в печи, т.е. t_д1 ¹ t_д2. Это обстоятельство отразится на величине КИТ – h_кит2, а через него и на общей тепловой мощности М_общ2.

Если мы хотим сохранить значение конечной температуры дыма t_д1 = t_д2 = const, то вследствие изменения степени черноты газов (e_газ) изменится интенсивность теплопередачи (величина теплового потока) к нагреваемым материалам, т.е. изменится производительность печи M_усв2 = q₂×F_н = P₂×Di.

При замене одного топлива другим можно поставить более сложное тре­бование: а) сохранить производительность печи без изменения: Р = const; б) сохранить t_д = const. Чтобы выполнить оба эти условия, появится необходимость изменить поверхность нагрева материалов F_н, изменить ёмкость печи Е. Это значит, что печь подлежит реконструкции.

Не следует забывать, что смена топлива вызывает также изменение аэродинамики печи, вследствие изменения расхода газа, воздуха и выхода продуктов горения.

Конструкции и тепловые режимы печей

Технологические цепочки в металлургии

Для лучшего запоминания особенностей печей того или иного назначения надо уяснить себе место каждой печи в технологической цепочке металлургического завода. Традиционная (классическая) технологическая цепочка металлургического комбината представлена на рис. 9.1. На этом рисунке прямоугольниками обозначены основные типы (группы) печей, а овалами и кружочками – название используемого или образующегося материала. Для удобства пользования на схеме не показаны некоторые флюсующие материалы, используемые в ферросплавной, агломерационной, доменной и сталеплавильной печи, такие как: бой шамотного кирпича, плавиковый шпат, боксит, песок, марганцевая руда и некоторые другие.

В соответствии со схемой рис. 9.1 все металлургические печи условно делим на 3 группы:

1) группа печей для подготовки сырья;

2) группа плавильных печей;

3) группа нагревательных печей.

Это разделение сделано по логике технологической цепочки, а не по назначению печи. Так ферросплавная печь отнесена к печам для подготовки сырья, хотя и является плавильной по сути.

Наиболее распространенными являются нагревательные печи: на одну плавильную или обжиговую печь приходится 5-10 и более нагревательных, в том числе термических, печей.

Технологическая цепочка  постоянно совершенствуется. Например, всё шире используются, так называемые, печи металлизации, заменяющие коксовую и доменную печи. Постепенно, особенно при новом строительстве, нагревательные колодцы заменяются машинами непрерывного литья заготовок, чтобы исключить промежуточный продукт – слитки – перед получением заготовок. Практически каждое звено технологической цепочки в настоящее время подлежит критическому разбору и есть варианты замены или слияния звеньев.

Назначение нагревательных и термических печей. Нагревательные печи металлургии

Нагревательная печь – печь для нагрева твёрдых материалов с целью повышения пластичности или изменения структуры этих материалов. В дальнейшем изложении мы будем понимать нагревательные печи как печи для нагрева материалов под обработку давлением. Нагрев материалов с целью изменения их структуры производится в термических печах.

Нагревательные печи – самый распространённый класс печей, поскольку широко применяются не только в чёрной металлургии, но и в цветной металлургии, в машиностроении и т.д.

На заводах чёрной металлургии используются нагревательные колодцы и методические печи для нагрева слитков и заготовок.

Нагревательные колодцы. Режимы нагрева слитков в нагревательных колодцах. Приближенные материальный и тепловой балансы нагревательных колодцев

Нагревательный колодец – печь периодического действия (с верхней загрузкой и выгрузкой) для нагрева крупных стальных слитков перед прокаткой на обжимном стане. В колодце происходит нагрев слитков массой от 2-3 до 25 тонн. Толщина слитков обычно превышает 350‑400 мм, поэтому нагрев ведут с 4 сторон, устанавливая слитки вертикально в рабочем пространстве колодца. Колодцы объединяют в группы (по 2 или 4 колодца) и для каждой группы предусматривается отдельная дымовая труба.

Нагревательный колодец является печью камерного типа. В нём поддерживается одинаковая температура по всему объёму.

Принцип работы любого колодца следующий. Сверху открывается крышка и в камеру с помощью крана загружаются от 4 до 24 слитков. Эти слитки нагреваются до необходимой температуры, а после нагрева извлекаются поштучно и направляются для прокатки на обжимные станы (блюминги и слябинги). Далее цикл загрузки и нагрева слитков повторяется. Характерный температурный и тепловой режим нагрева слитков изображён на рис. 9.2.

Рис. 9.2 – Режимы нагрева слитков в нагревательных колодцах:

а ‑ холодный посад; б ‑ горячий посад;

t_печ ‑ температура печи; t_п и t_с ‑ температуры поверхности и середины металла; q_пt ‑ плотность теплового потока на поверхности металла

Нагрев имеет два периода. В первом периоде расход топлива или, другими словами, общая тепловая мощность печи – М, поддерживается на максимальном уровне. К концу этого периода температура печи достигает такого уровня, который в дальнейшем гарантирует качественный нагрев металла. Качество нагрева обеспечивается выдержкой во 2-м периоде при условии постоянства температуры печи (t_печ = const). В этом периоде достигает заданного значения температура поверхности металла (1200‑1350 °С) и перепад температуры по сечению слитка. Известно, что удельный перепад температуры в конце нагрева должен быть не более 100-300 °С на 1 метр толщины слитка. Первый период называют периодом нагрева или М = const, а второй период – периодом выдержки или t_печ = const. Можно отметить, что тепловой поток на металл в начальном периоде (М = const) несколько падает, а температура поверхности слитка повышается с постоянно снижающейся скоростью нагрева поверхности.

В нагревательные колодцы обычно поступает до 95 % слитков горячего посада с температурой поверхности, не превышающей 950-1000 °С. При этом слиток может иметь жидкую сердцевину.

Обычно на металлургических заводах нагревательные колодцы являются своего рода буфером для сжигания низкокалорийного газообразного топлива (доменный газ, коксодоменная смесь). В этом случае высокая температура в рабочем пространстве достигается путём подогрева воздуха, а в ряде случаев (при сжигании доменного газа) – путём подогрева и газа.

В зависимости от способа нагрева воздуха и газа различают регенеративные (самые давние колодцы) и рекуперативные нагревательные колодцы. Рекуперативные колодцы разделяют на колодцы с центральной и верхней (самые современные конструкции колодцев) горелкой. Преимущества одних колодцев перед другими можно оценивать по капитальным затратам, удобству эксплуатации и компактности расположения в цехе, поскольку характеристики топливоиспользования во всех колодцах близки между собой.

Материальный и тепловой балансы нагревательных колодцев мало отличаются по своей структуре. Отличие связано с величиной статей балансов. Структура этих балансов на примере регенеративного колодца приведена в табл. 9.1 и 9.2.

При составлении теплового баланса обычно не учитываются потери теплоты на аккумуляцию теплоты кладкой, т.к. считается, что слитки металла загружаются в печь, разогретую предыдущей садкой. На самом деле во время загрузки слитков в колодец (при открытой крышке), из колодца уходит значительное количество теплоты и температура кладки снижается. Кстати, эти потери теплоты тоже не учитываются. Поэтому в начальный период работы колодца (М = const) желательно учитывать потери на аккумуляцию кладкой. Если слитки горячего посада имеют жидкую сердцевину, то при составлении теплового баланса нужно учитывать теплоту кристаллизации.

Таблица 9.1 – Ориентировочный материальный баланс процессов в рабочем пространстве нагревательного колодца (кг/кг нагретого металла)

Приход	На 1 кг мет.	Расход	На 1 кг мет.
1. Загружаемый металл	1,015	1. Нагретый металл	1,000
2. Топливо (доменный газ)	0,567	2. Продукты горения, в т.ч. а) продукты горения топлива ‑ 1,039; б) азот воздуха от окисления железа-0,018;	1,057
3. Воздух для горения топлива	0,472	3. Окалина на металле (80 % от всей окалины)	0,017
4. Воздух для окисления железа	0,024	4. Шлак, в т.ч. а) шлаковые составляющие ‑ 0,002; б) окалина (20 % от всей окалины) - 0,004	0,006
5. Шлаковые составляющие (куски футеровки, шлак прибыльной части слитков и т.п.)	0,002
Итого	2,080	Итого	2,080

Таблица 9.2 – Ориентировочный тепловой баланс регенеративного нагревательного колодца (на 1 кг нагретого металла)

Приход		%	Расход		%
1. Химическая энергия топлива	1675	59,9	1. Физическая теплота нагретого металла (t = 1230 °С)	848	30,3
2. Физическая теплота топлива (t = 850 °С)	563	20,1	2. Физическая теплота продуктов горения топлива (t = 1360 °С)	1669	59,6
3. Физическая теплота воздуха для горения (t = 850 °С)	438	15,6	3. Потери теплоты в окружающую среду	224	8,0
4. Физическая теплота воздуха для окисления железа (t = 850 °С)	23	0,8	4. Физическая теплота азота воздуха от окисления металла (t = 1360 °С)	29	1,0
5. Химическая энергия окисления железа	101	3,6	5. Физическая теплота окалины на металле (t = 1250 °С)	19	0,7
6. Физическая теплота металла (t = 0 °С)	0	0	6. Физическая теплота шлака	11	0,4
7. Физическая теплота шлака (t = 0 °С)	0	0
Итого	2800	100,0	Итого	2800	100,0

Шлак удаляется в жидком и сухом виде. Шлак обычного состава переходит в жидкое состояние при температуре 1370-1400 °С. Скрытая теплота шлакообразования составляет около 210 кДж/кг шлака. Эта теплота тоже может быть учтена при составлении теплового баланса.

Устройство и работа регенеративных нагревательных колодцев. Технико-экономические показатели. Мероприятия по снижению расхода топлива

Регенеративный нагревательный колодец – нагревательный колодец, в котором подогрев газа и воздуха происходит в регенераторах. Схема этого колодца приведена на рис. 9.3. Рабочее пространство имеет длину 3-6 м, ширину – около 2 м и глубину – 3‑3,5 м. Масса садки около 45-80 тонн. Слитки располагаются по длине колодца вдоль стен. Колодец работает с реверсивным движением факела.

Регенеративные теплообменники представляют из себя камеры, заполненные огнеупорными кирпичами в определённом порядке. Система укладки кирпичей называется насадкой (решёткой). Чаще всего используются насадки Каупера и Сименса (рис. 6.2).

В насадке Сименса идёт чередование под прямым углом параллельных рядов кирпича. Между кирпичами и под кирпичами остаются проходы для газов. При закупорке одного из вертикальных каналов шлаковыми отложениями нижняя часть насадки продолжает работать. Это достоинство насадки Сименса. Одновременно с этим насадка имеет высокий коэффициент теплоотдачи и склонность к перегреву и оплавлению кирпича при насыщении его окислами железа.

В насадке Каупера (рис. 6.2) поверхность нагрева представляет собой сплошные вертикальные каналы с более низким коэффициентом теплоотдачи и с меньшей поверхностью теплообмена. Насадка Каупера более надёжна при высоких температурах, т.к. медленнее нагревается и имеет повышенную строительную прочность. Поэтому насадку Каупера используют для верхних рядов, а насадку Сименса – для средних и нижних рядов.

Рис. 9.3 – Схема регенеративного нагревательного колодца:

1 ‑ крышка; 2 ‑ механизм перемещения крышки; 3 ‑ газовый регенератор; 4 ‑ воздушный регенератор; 5 ‑ слитки; 6 ‑ шлаковая лётка; 7 ‑ рабочее пространство (ячейка); 8 ‑ шлаковая чаша; 9 ‑ золотник газового клапана; 10 ‑ газовый клапан; 11 ‑ подвод газа к ячейке

Принцип работы колодца следующий. Слитки холодного или горячего посада помещаются с помощью клещевого крана вдоль стенок рабочего пространства нагретой ячейки. Через одну из пар регенераторов (например, правую) подаётся воздух и газ, которые несколько перемешиваются в надрегенераторном пространстве и образуют факел в объёме ячейки. Горячие газы (дым) уходят в левую пару регенераторов, подогревая их. После достижения верхними рядами регенеративной насадки предельной температуры (примерно через 15-30 минут) происходит перекидка газового и воздушного клапанов. В результате газ и воздух будут проходить через левые регенераторы и там нагреваться. Дымовые газы будут нагревать правую пару регенераторов. Через те же 15-30 минут снова произойдёт перекидка клапанов и цикл повторится. Время между перекидками клапанов влияет на расход топлива. С одной стороны, при коротких интервалах снижается температура дыма после регенератора и, соответственно, снижается расход топлива. С другой стороны, при коротких интервалах, увеличивается непроизводительный расход топлива, которое заполняет насадку газового регенератора перед перекидкой и вытесняется встречным потоком дыма в дымовую трубу.

После того как садка слитков нагреется до нужной температуры, слитки поштучно извлекают и отправляют на обжимной стан. Время нагрева металла зависит от начальной температуры слитков, размеров их сечения и составляет при холодном посаде обычных слитков 6-7 часов.

Температура нагрева слитков колеблется в зависимости от марки стали в пределах 1200-1350 °С. Максимальная температура дыма на входе в регенератор 1400-1450 °С, на выходе – 500-600 °С. Максимальная температура подогрева воздуха и газа 900-1000 °С.

Для изменения направления дыма, факела (реверс факела) посредством изменения направления потоков газа и воздуха служат перекидные (переводные) устройства: для газа – герметичный клапан золотникового типа (клапан Фортера), показанный на рис. 9.3, а для воздуха – негерметичный клапан мотылькового типа (клапан "симплекс"). В клапане Фортера герметичность достигается применением водяных затворов. Клапаны подсоединены к регенераторам колодца посредством системы дымоходов. К каждому клапану от регенераторов подходят два дымохода (левый и правый), расположенные под регенераторами в два этажа (рис. 9.3). Между этими каналами на входе в клапан расположен центральный канал, связанный с дымовой трубой системой дымоходов.

Рассмотрим работу клапанов. Пусть, как показано на схеме рис. 9.3, в правые регенераторы поступают газ и воздух. Для этого золотник клапана Фортера и мотылек клапана "симплекс" перекрывают центральный и правый каналы в клапанах. По нижним дымоходам из левых регенераторов поступает дым в правый канал, а затем после разворота на 90 ° – в центральный канал. В период перекидки золотник и мотылек меняют свое положение. Теперь газ и воздух поступают в правые каналы клапанов и направляются для нагрева в левые регенераторы. Дым из правых регенераторов по верхним дымоходам поступает в левые каналы клапанов, а затем после разворота в центральный дымоход. Таким образом, в центральные каналы всё время поступает дым из регенераторов.

Дым из центрального канала направляется на дымовую трубу по следующей схеме. Сначала дым от каждой ячейки поступает в сборный дымоход для двух ячеек. Аналогично свой дымоход имеют и две другие ячейки. В общий дымоход перед дымовой трубой поступает дым от 4 ячеек через два сборных дымохода.

В дымоходе для каждой ячейки и в общем дымоходе для 4 ячеек установлены шиберы для регулировки тяги дымовой трубы. На группу из 4 ячеек установлен один вентилятор для подачи воздуха. В каждом воздухопроводе, идущем к клапану "симплекс", установлена поворотная заслонка.

Факел в регенеративном колодце находится достаточно близко к подине и обеспечивает температуру подины около 1370 °С, что является пороговым значением для перевода шлака в жидкое состояние. Шлак состоит из окалины, осколков футеровки и некоторых легкоплавких соединений, остающихся в прибыльной части слитка после его разливки и охлаждения. Через шлаковую лётку шлак удаляется с подины непрерывно, а также периодически при специальном нагреве пустого колодца.

Удельный расход условного топлива зависит от среднемассовой температуры слитков в садке. При холодном посаде расход топлива около 55‑65 кг у.т./т, а при горячем (700-800 °С) посаде – от 20 до 40 кг у.т./т стали. С учётом затрат топлива на разогрев кладки после холодного ремонта, на простои, а также в зависимости от доли слитков горячего посада и их начальной температуры расход топлива на различных заводах изменяется от 35 до 45 кг у.т./т стали.

Для снижения расхода топлива можно рекомендовать следующее:

1) нагрев в колодце слитков с не полностью затвердевшей сердцевиной. Это приводит к повышению начальной среднемассовой температуры слитков и сокращению длительности нагрева;

2) использование дутья, обогащённого кислородом. Это приводит к сокращению расхода дыма и, соответственно, к уменьшению потерь теплоты с уходящими газами;

3) удлинение ячеек колодца с 4-4,5 м до 7-8 метров. Это приводит к увеличению производительности колодца и, при определенных условиях, – к небольшому снижению удельного расхода топлива;

4) улучшение перемешивания воздуха и газа с целью недопущения догорания топлива в регенераторах. Для этого необходимо совершенствовать верхнее строение насадок газового и воздушного регенераторов;

5) замена кирпичной насадки шариковой, имеющей большую поверхность теплообмена на единицу объёма. Для повышения стойкости шариковой насадки в верхней части регенератора она должна выполняться из химически нейтрального материала с высокой огнеупорностью, типа корунда. Это позволит уменьшить объем насадки или сократить расход топлива за счет более глубокой утилизации теплоты дыма. Кроме того, облегчается замена насадки при ремонтах. Неизбежное при этом увеличение потерь давления компенсируется установкой дополнительных компрессорных и дутьевых устройств.

Устройство и работа рекуперативных нагревательных колодцев с отоплением из центра подины. Технико-экономические показатели. Мероприятия по снижению расхода топлива

Рекуперативный нагревательный колодец с отоплением из центра подины – нагревательный колодец, в котором воздух подогревается в рекуператоре, а подвод газа и воздуха осуществляется через отверстия в подине. Схема колодца представлена на рис. 9.4. В квадратной ячейке нагреваются 10-14 слитков. Масса садки – 45‑105 тонн. В центре ячейки расположена горелка, представляющая из себя газовое сопло, окружённое каналом для прохода горячего воздушного дутья. Воздух подаётся в ячейку своим вентилятором. Ширина рекуператора равна ширине ячейки (4-5 метров). Рекуператор собирают из восьмигранных керамических трубок. Трубки сочленяют между собой восьмигранными звездочками (муфтами), что усиливает прочность рекуператора и создает условия для перекрестного движения дыма и воздуха. Охлаждающийся дым движется по трубкам рекуператора сверху вниз. Воздух движется в горизонтальном направлении между трубками. Высота яруса для прохода воздуха обычно равна высоте трубки. Около каждой звездочки имеются 4 отверстия. Если отверстия заложены огнеупорными вставками, то воздух не может попасть на верхний ярус. В конце яруса отверстия возле каждой звездочки открыты и воздух переходит на следующий (верхний) ярус. Таким образом, в рекуператоре имеет место перекрестно-противоточное движение воздуха, что усиливает теплоотдачу от дыма к нагреваемому воздуху.

Рис. 9.4 – Схема рекуперативного колодца с отоплением из центра подины:

1 ‑ горелка; 2 ‑ керамический рекуператор; 3 ‑ подвод холодного воздуха; 4 ‑ канал для подвода горячего воздуха; 5 ‑ каналы для отвода дыма; 6 ‑ слитки; 7 ‑ шлаковая чаша; 8 ‑ дымовые каналы для отвода "своего" дыма; 9 ‑ дымовые каналы для отвода "транзитного" дыма соседней ячейки

Диаметр воздухопровода между вентилятором и рекуператором 0,7 м. Рассредоточенная подача воздуха в рекуператор осуществляется тремя входными воздухопроводами. Диаметр подводящего воздухопровода от рекуператора к горелке 0,8 м. Поэтому вверху рекуператора имеется коридор, служащий для сбора нагретого воздуха. Колодец обычно отапливается коксодоменной или природнодоменной смесью с теплотой сгорания 6,5‑10 МДж/м³. Газ может подогреваться в металлическом рекуператоре, располагаемом в общем дымоходе после керамических рекуператоров.

Группа колодцев состоит из 2 ячеек и обслуживается одной дымовой трубой.

Уборка шлака чаще всего осуществляется в сухом виде.

Принцип работы колодца следующий. Слитки загружаются сверху краном в рабочее пространство (крышка колодца на рис. 9.4 условно не показана). Снизу в рабочее пространство подаются газ и воздух. Температура газа до 250‑300 °С, температура воздуха до 750‑800 °С. Образующийся при сжигании газа факел заполняет рабочее пространство, ударяется о крышку колодца, что способствует сокращению длины факела, но и снижению стойкости крышки. Пряди факела по стенкам опускаются вниз. Далее через два дымовых окна дым поступает в надрекуператорное пространство, а затем в трубки рекуператоров. По завершении нагрева слитков газ и воздух отключают, а слитки поштучно извлекают клещевым краном и отправляют на блюминг.

Недостатки колодца: а) неравномерность нагрева слитка по высоте в связи с недостаточно хорошим перемешиванием газа и воздуха перед горением; б) продолжительность нагрева слитков холодного посада и удельный расход топлива несколько выше, чем у регенеративных нагревательных колодцах и при этом колодцы требуют более калорийного топлива; в) нарушение герметичности рекуператора в процессе его эксплуатации, что приводит к потерям воздуха. Потери воздуха обусловлены значительным перепадом давления между воздушной и дымовой сторонами рекуператора. Этот перепад давления увеличивается в процессе работы колодца из-за зарастания пылью входных отверстий верхнего ряда трубок. В новом колодце утечка составляет 10‑30 %, а в конце кампании – 50‑60 %. Потери воздуха негативно сказываются на качестве сжигания топлива, величине тепловой мощности, длительности процесса нагрева, расходе топлива и на продолжительности кампании работы колодца. Рекуператоры необходимо перекладывать каждые 1,5‑2 года. Утечки воздуха разбавляют дым и снижают его температуру. Таким образом, снижается эффективность рекуператора. Если в первые недели работы рекуператора после ремонта температура подогрева воздуха составляет 750-800 °С, то в дальнейшем температура может снизиться до 400-500 °С.

Удельный расход условного топлива зависит от температуры посада слитков и составляет: при холодном посаде около 55‑65 кг у.т./т стали; при температуре посада 700‑800 °С около 30‑40 кг у.т./т стали.

Можно предложить мероприятия для снижения расхода топлива:

1) для поддержания тепловой мощности и улучшения условий сжигания, добавка в рабочее пространство через горелку недостающего количества кислорода;

2) установка в каналах горячего воздуха инжекторов, что поможет снизить давление воздуха и уменьшить потери воздуха;

3) замена керамических рекуператоров на металлические трубчатые и струйные;

4) применение в устье горелки различного рода рассекателей факела с целью опускания факела от крышки к подине. В этом случае должна снизиться неравномерность нагрева слитков по высоте;

5) замена керамических рекуператоров компактными регенераторами с шариковыми насадками;

6) импульсный способ подачи теплоносителя в рабочую камеру для повышения равномерности температурного поля ячейки.

Устройство и работа рекуперативных нагревательных колодцев с верхней горелкой. Технико-экономические показатели. Мероприятия по снижению расхода топлива

Рекуперативный нагревательный колодец с верхней горелкой – нагревательный колодец, в котором воздух нагревается в рекуператорах, а подвод газа и воздуха для сжигания топлива осуществляется в верхнюю часть колодца. Схема колодца представлена на рис. 9.5. Ячейка имеет в горизонтальной плоскости прямоугольную форму (ширина 2,2-3,3 м, длина 7‑10 метров). Глубина ячейки до 4,4 м. Обычно в ней нагреваются 12‑14 слитков. Общая масса садки – самая высокая из всех типов колодцев и составляет около 140 тонн. Колодец имеет один керамический рекуператор для нагрева воздуха до 700-750 °С и один металлический рекуператор для нагрева компрессорного воздуха высокого давления до 200‑350 °С.

Обычно горелка представляет из себя газовую трубу (газовое сопло), по периферии которого подводится воздух. Смешение газа и воздуха происходит в ячейке. В качестве топлива используют газовые смеси с теплотой сгорания около 6‑7 МДж/м³.

Особенность колодца: отсутствие вентилятора. Подача воздуха в горелку осуществляется с помощью инжектора. В качестве инжектирующей среды используется компрессорный воздух, количество которого составляет 25-30 % от общего расхода воздуха. Под действием разрежения, создаваемого инжектором, и из-за разогретого рекуператора, который работает как дымовая труба, атмосферный воздух сам по себе входит в рекуператор и далее поступает в смеситель инжектора.

В процессе работы колодцев инжектор может подсасывать через рекуператор больше воздуха, чем требуется по условиям качественного сжигания топлива. Для стабилизации расхода воздуха применяются специальные каналы для сброса излишков воздуха или создают повышенное давление в рабочем пространстве ячейки (при надлежащем уплотнении подкрышковой щели). Последнее позволяет регулировать противодавление работающего инжектора и, соответственно, расход воздуха.

Рис. 9.5 – Схема рекуперативного колодца с верхней горелкой:

1 ‑ керамический рекуператор; 2 ‑ каналы для холодного воздуха; 3 ‑ металлический рекуператор; 4 ‑ подвод компрессорного воздуха; 5 ‑ дымовое окно; 6 ‑ слитки; 7 ‑ шлаковая чаша; 8 ‑ дымовой шибер

Принцип работы колодца следующий. Слитки загружаются поштучно в рабочую камеру и располагаются вдоль обеих продольных стен. Включается подача компрессорного воздуха и газа, которые вместе с подсасываемым атмосферным воздухом дают длинный факел на выходе из горелки в рабочее пространство. После удара факела о торцевую стенку он меняет направление на обратное, и дым удаляется через дымовое окно, расположенное ниже горелки. Таким образом, движение дыма в колодце носит подковообразный характер. С одной стороны, это приводит к сокращению расхода топлива за счёт утилизации теплоты дыма. Но с другой стороны, приводит к неравномерному нагреву садки. Слитки, стоящие около противоположной от горелки стенки, греются быстрее. Кроме того, верхняя часть слитков имеет более высокую температуру. Режим нагрева слитков ведут по слиткам, которые греются быстрее.

Дым, который удаляется из рабочего пространства, проходит последовательно керамический рекуператор, состоящий из восьмигранных керамических трубок, далее металлический трубчатый рекуператор, дымовой шибер и на дымовую трубу.

Поскольку температура подины низкая, то на колодце применяют сухое шлакоудаление.

Так же как и в колодцах с центральной горелкой верхний ряд трубок рекуператора зарастает пылью, выносимой из рабочего пространства с дымом. Это приводит к закупориванию дымовых каналов и преждевременному выходу рекуператоров из строя.

Удельный расход условного топлива на колодце с верхней горелкой составляет: при холодном посаде около 50-60 кг у.т./т стали; при горячем посаде (700-800 °С) около 30-40 кг у.т./т стали.

Для снижения расхода топлива и повышения равномерности нагрева слитков можно рекомендовать следующее:

1) установка возле горелочной стороны дополнительных небольших горелок. Это уменьшит время выдержки для прогрева слитков, отстающих в нагреве;

2) применение специальных рассекателей и завихрителей факела, делающих его короче и шире;

3) применение горелки с качающимся соплом, периодически изменяющего направление факела с целью изменения положения зоны высоких температур;

4) импульсное вдувание компрессорного воздуха под углом к основному газовоздушному потоку вблизи среза сопла горелки, что обеспечивает перемещение факела в рабочем пространстве колодца;

5) по аналогии с мартеновской печью установка шлаковика между дымовым окном и рекуператором за счет небольшого уменьшения габаритов рекуператора. Это позволит повысить стойкость рекуператора;

6) установка струйных рекуператоров (для подогрева компрессорного воздуха) в надрекуператорном пространстве.

 

Нагревательные печи металлургии. Методические печи прокатного производства. Режимы нагрева заготовок в многозонных методических печах

Методическая печь – проходная печь для нагрева металлических заготовок перед обработкой давлением (прокатка, ковка, штамповка). В свою очередь проходной печью называется печь непрерывного действия, в которой нагреваемые заготовки движутся вдоль печи, перемещаемые толкателем, рольгангом или другими механизмами. Загрузка и выгрузка проходной печи производятся через окна в торцовых стенах печи или в боковых стенках вблизи торцов.

В методической печи заготовки обычно передвигаются навстречу движению продуктов сгорания топлива; при таком противоточном движении достигается высокая степень использования теплоты, подаваемой в печь. Хотя встречаются прямоточные и прямопротивоточные печи. Заготовки проходят последовательно три теплотехнические зоны: методическую (зону предварительного подогрева), сварочную (зону нагрева) и томильную (зону выравнивания температур в заготовке). Иногда томильная зона может отсутствовать.

Методические печи классифицируют: а) по числу зон отопления в сварочной зоне плюс методическая зона, и, если есть, томильная зона (2-, 3-, 4-, 5-зонные); б) по способу транспортирования заготовок (толкательные, с подвижными балками и др.); в) по конструктивным особенностям (с нижним обогревом, с наклонным подом, с плоским сводом и т.д.).

Методические печи отапливают газообразным или жидким топливом с помощью горелок или форсунок.

Стандартные режимы нагрева металла в двухзонных, трёхзонных и многозонных методических печах приведены на рис. 9.6. Можно отметить, что, в отличие от нагрева металла в колодцах, тепловой поток на поверхность металла в начальный период нагрева (методическая зона) нарастает. Одновременно температура поверхности сначала резко увеличивается (скорость нагрева максимальная), а затем повышается медленнее (скорость нагрева падает) с постепенным увеличением скорости к концу методической зоны.

Преимущество многозонных печей перед двухзонными: гибкость в регулировке режима нагрева и, соответственно, меньший расход топлива при высоком качестве нагрева металла. Недостаток: усложнение конструкции системы отопления.

Рис. 9.6 – Режимы нагрева заготовок в зависимости от числа зон методической печи (L ‑ длина печи):

а ‑ 2-зонная печь; б ‑ 3-зонная печь; в ‑ многозонная печь;

t_г ‑ температура дыма; t_ух ‑ температура уходящего дыма; t₀ ‑ начальная температура металла; t_п ‑ температура поверхности металла; t_с ‑ температура середины металла; q_п ‑ плотность теплового потока на поверхности металла

Под качеством нагрева понимается: точность получения заданных температур в конце нагрева, величина окисления и обезуглероживания по­верхности заготовок, точность сохранения формы заготовок после воздействия термических напряжений. Ориентировочные значения отдельных показателей качества: температура нагрева заготовок в методических печах – 1100‑1250 °С; перепад температуры в конце нагрева – 400‑1000 °С/метр толщины заготовки; количество окислившегося металла – 0,5‑2 %; толщина обезуглероженного слоя – 0,5‑1,5 мм.

В дальнейшем изложении мы будем различать печи по способу транспортирования и рассмотрим следующие печи: толкательную печь, печь с шагающим подом, кольцевую печь, печь с шагающими балками и секционную печь. Мы не выделяем секционную печь в отдельную группу методически-камерных печей, как иногда делается в литературе, а относим к методическим печам, т.к. по своей сути секционная печь в первую очередь все-таки проходная печь и подходит под общее определение методических печей.

Материальный и тепловой балансы методических печей во многом схожи по своей структуре, – отличия связаны с числовыми показателями. Ориентировочные балансы приведены в табл. 9.3 и 9.4. В качестве основы в этих балансах взята толкательная печь.

Таблица 9.3 – Ориентировочный материальный баланс процессов в рабочем пространстве методической печи (кг/кг нагретого металла)

Приход	На 1 кг металла	Расход	На 1 кг металла
1. Загружаемый металл	1,015	1. Нагретый металл	1,000
2. Воздух для горения топлива	0,814	2. Продукты горения, в т.ч. – продукты горения топлива ‑ 1,031; – азот воздуха от окисления железа ‑ 0,018;	1,049
3. Топливо (коксодоменная смесь)	0,217	3. Окалина	0,021
4. Воздух для окисления железа	0,024
Итого	2,070	Итого	2,070

Методические печи характеризуются наличием нескольких зон по длине печи. Так как тепловой баланс обычно составляется для определения расхода топлива и выбора горелок, то тепловой баланс методических печей часто приходится составлять для отдельных зон. В частности, для секционных печей, включающих 20 и более секций, тепловой баланс может быть составлен для каждой секции.

Таблица 9.4 – Ориентировочный тепловой баланс методической печи (на 1 кг нагретого металла)

Приход		%	Расход		%
1. Химическая энергия топлива	2394	84,1	1. Физическая теплота нагретого металла (t = 1230 °С)	846	29,8
2. Физическая теплота воздуха для горения (t = 400 °С)	337	11,9	2. Физическая теплота продуктов горения топлива (t = 1000 °С)	1318	46,4
3. Химическая энергия окисления железа	85	3,0	3. Потери теплоты с охлаждающей водой	575	20,2
4. Физическая теплота воздуха для окисления железа (t = 400 °С)	10	0,4	4. Потери теплоты теплопроводностью и излучением через окна	38	1,3
5. Физическая теплота металла (t = 20 °С)	10	0,4	5. Потери теплоты теплопроводностью через кладку	26	0,9
6. Физическая теплота топлива (t = 20 °С)	6	0,2	6. Физическая теплота окалины на металле (t = 1250 °С)	19	0,7
			7. Физическая теплота азота воздуха от окисления металла (t = 1000 °С)	20	0,7
Итого	2842	100,0	Итого	2842	100,0

Конструкции толкательных печей. Мероприятия по снижению расхода топлива в толкательных печах

Толкательная печь – методическая печь, в которой перемещение заготовок вдоль печи происходит с помощью внешнего устройства – толкателя. Это самый простой и недорогой способ транспортирования металла через печь.

В настоящее время разработано большое количество толкательных печей, отличающихся числом зон, наклоном подины, конструкцией свода и способом утилизации теплоты дымовых газов. Рассмотрим в виде примера трехзонную печь двухстороннего нагрева с наклонным подом, оборудованную керамическим блочным рекуператором для нагрева воздуха и инжекционными горелками (рис. 9.7). Особенностью данной печи является отсутствие вентилятора. Воздух засасывается за счет разрежения, создаваемого активной струей газового топлива горелок. Кроме этого, разрежение создает разогретый рекуператор, который действует как дымовая труба. Подобный принцип подачи воздуха заложен и в конструкции нагревательного колодца с верхней горелкой.

Выдача нагретых заготовок в данной толкательной печи (рис. 9.7) боковая с использованием дополнительного толкателя. Длина заготовок – 5‑12 м. Соответственно и ширина печи достигает 12,5 метра. Печь рассчитана на сжигание доменного газа. Газ подогревается в металлическом рекуператоре до 200-250 °С.

Рис. 9.7 – Трёхзонная толкательная печь:

1 ‑ окно посада; 2 ‑ смотровые окна; 3,4,5 ‑ продольные (глиссажные) поперечные и вертикальные опорные трубы; 6 ‑ металлические балки каркаса; 7 ‑ инжекционные горелки; 8 ‑ трубопровод горячего воздуха; 9 ‑ трубопровод газа; 10 ‑ окно выдачи; 11 ‑ окна для уборки шлака; 12 ‑ сборный канал горячего воздуха; 13 ‑ керамический рекуператор; 14 ‑ дымовой боров

Керамический рекуператор изготавливается из блоков размером примерно 300 ´ 250 ´ 250 мм. Конструкция блочного рекуператора очень простая. Внутри отдельных блоков имеются четыре отверстия для прохода воздуха, а наружная поверхность выполнена фигурной. В результате при сочленении блоков между ними появляются полости для прохода дыма в направлении, перпендикулярном движению воздуха. Достоинство блочного рекуператора в низком гидравлическом сопротивлении для прохода дыма и воздуха.

Принцип работы печи следующий. Заготовка подаётся внешним рольгангом к торцевому окну со стороны посада (на рис. 9.7 – слева). Далее толкатель проталкивает заготовку в печь. При этом заготовка замещает предыдущую заготовку и проталкивает все заготовки, лежащие на подине. Заготовки лежат без зазоров, поэтому в расчётах нагрева садку печи можно считать монолитной пластиной. Подина выполнена наклонной для облегчения перемещения всей садки. В самом конце печи участок подины сделан горизонтальным. Крайняя нагретая заготовка, которая попадает на горизонтальный участок подины, будет выдана из печи боковым толкателем через боковое окно. Температура нагрева заготовок зависит от марки стали и колеблется от 1100 до 1250 °С. Нагрев заготовок происходит за счёт лучистого и конвективного теплообмена в системе "дым – кладка – металл".

Продукты горения (дым) образуются при факельном сжигании топлива в инжекционных горелках. Дым проходит навстречу металлу и удаляется с температурой 750-1000 °С возле окна посада вниз через полости в боковых стенах и через щели между заготовками и стенками печи. Далее дым проходит через двухходовый керамический рекуператор для подогрева воздуха и металлический трубчатый рекуператор для подогрева газа (последний на рис. 9.7 не показан) и выбрасывается без очистки в атмосферу посредством дымовой трубы.

В сварочной зоне печи металл проталкивается по водоохлаждаемым глиссажным (скользящим) трубам. Если смотреть на подину сверху (в плане), то можно увидеть, что глиссажные трубы выполнены в виде ряда параллельных продольных транспортных труб. Для уменьшения контакта металла с холодной частью продольных труб и для уменьшения истирания труб на них приваривается пруток-гребешок из жаропрочной стали или устанавливаются так называемые рейтеры, выполненные из жаропрочных сплавов на основе хрома. Глиссажные трубы поддерживаются опорными трубами, представляющими из себя систему поперечных (горизонтальных) и вертикальных водоохлаждаемых труб. Наличие глиссажных труб позволяет быстро нагреть заготовки (т.е. обеспечить высокую производительность) за счёт двухстороннего подвода теплоты к заготовкам. Глиссажные трубы выгодно использовать при толщине заготовок больше 100 мм. В томильной зоне нагрев односторонний. Основное назначение томильной зоны – ликвидация "тёмных" пятен, образующихся на нижней поверхности заготовок при их движении по глиссажным трубам. В томильной зоне заготовки движутся по неохлаждаемым массивным брусьям.

Угар (потери при окислении) металла в толкательных печах обычно составляет 1,5‑2 %. Удаление шлака (окалины) с подины производится периодически вручную через рабочие боковые окна нижней сварочной и томильной зоны.

Удельный расход топлива в толкательной печи при температуре нагрева заготовок 1200 °С около 70-80 кг у.т./т металла. Если в печи отсутствуют зоны двухстороннего нагрева (нет глиссажных труб), то расход топлива около 60-70 кг у.т./т металла.

Для сокращения расхода топлива можно рекомендовать следующее:

1) совершенствование тепловой изоляции глиссажных труб, которые потребляют до 15 % подводимой к печи теплоты;

2) применение системы испарительного охлаждения глиссажных труб. Это позволит снизить расход воды на охлаждение, повысить стойкость труб, получить высокотемпературный теплоноситель (пар);

3) использование современных жаростойких теплоизоляционных материалов в кладке печи;

4) интенсификация лучистого теплообмена в зонах печи (повышение светимости факела, использование скоростных горелок, гофрирование кладки, зачернение футеровки и т.п.);

5) замена керамического рекуператора на стабильно работающий металлический;

6) создание в начале методической зоны условий для протекания продуктов сгорания сначала над металлом, а затем под металлом;

7) организация струйного натекания продуктов сгорания на металл с помощью высокотемпературных дымососов или инжекторов, что значительно увеличивает теплоотдачу в начальный период нагрева;

8) расположение в рабочем пространстве системы перегородок для прижатия потоков дыма к металлу и увеличения конвективной теплоотдачи. Одновременно это увеличивает излучающую поверхность кладки;

9) отказ от монолитной подины в томильной зоне и переход на двухсторонний нагрев металла по всей длине печи. В этом случае обязательным является применение металлических или металлокерамических рейтеров. Желательным является небольшое смещение по длине печи (относительно оси печи) глиссажных труб.

Конструкции печей с шагающим подом (ПШП). Мероприятия по снижению расхода топлива в ПШП

Печь с шагающим подом – методическая печь, в которой перемещение заготовок происходит путём циклического поступательно-возвратного шагания пода.

Эти печи обладают рядом преимуществ перед толкательными печами: а) заготовки не трутся о подину и друг о друга и не получают механических повреждений; б) при ремонтах печь легко освобождается от заготовок; в) в печи легко варьируется односторонний и трёхсторонний нагрев заготовок; г) первоначально образовавшаяся окалина не осыпается и защищает заготовки от дальнейшего окисления, что снижает угар стали до 1 %; д) пониженный расход топлива за счёт отсутствия глиссажных труб.

Схема ПШП приведена на рис. 9.8. Принцип работы печи следующий. Заготовки подаются внешним рольгангом к торцу посада и заталкиваются на подину с помощью торцевого толкателя. Далее заготовки проходят по печи с помощью специального механизма шагания, расположенного под подиной. Вся подина равномерно разделена на чётное количество подвижных и нечётное количество неподвижных балок. Основные движения, совершаемые подвижными балками относительно неподвижных балок приведены на рис. 9.9. Подсосы холодного воздуха в печь через щели между подвижными и неподвижными балками исключены за счёт использования водяных затворов.

В конце печи каждая нагретая заготовка при очередном цикле шагания попадает на склиз (лекальная наклонная плоскость) и через торец выдачи выскакивает на рольганг прокатного стана.

В ПШП очень удобным оказалось использование плоского свода с установленными в своде плоскопламенными горелками. Главное то, что в печи с такой конфигурацией легко можно осуществить многозонный режим нагрева. Недостаток сводового отопления в том, что половина длины печи со стороны посада находится под разрежением, а это вызывает подсосы воздуха через смотровые окна. Кроме этого, недостаточно отрегулированные плоскопламенные горелки могут вызвать местный перегрев металла.

Рис. 9.8 – Схема печи с шагающим подом (ПШП):

1 ‑ рольганг загрузки; 2 ‑ заслонка; 3 ‑ механизм подъёма заслонки; 4 ‑ дымоотбор; 5 ‑ поддерживающие кладку водоохлаждаемые трубы; 6 ‑ газо- и воздухопроводы по зонам регулирования; 7 ‑ заготовки; 8 ‑ горелки; 9 ‑ подвижные балки; 10 ‑ неподвижные балки; 11 ‑ рольганг выдачи; 12 ‑ подвижная заслонка; 13 ‑ склиз

Рис. 9.9 – Фазы движения балок в печи с шагающим подом:

П ‑ подвижные балки; Н ‑ неподвижные балки

Продукты горения образуются в зоне факела, прилегающего к своду, опускаются до металла и далее проходят вдоль печи. Дым удаляется из печи через свод в районе торца посада и направляется в рекуператор для подогрева воздуха горения или в котёл‑утилизатор.

Удаление шлака (окалины) производится вручную через смотровые окна в сварочной и томильной зонах. В процессе шагания отдельные заготовки могут кантоваться и тем самым разбивать подину. Заправка (восстановление) подины также производится через смотровые окна вручную.

Удельный расход условного топлива в ПШП 60-70 кг у.т./т металла.

Для снижения расхода топлива в ПШП можно предложить следующее:

1) оптимизация температурного режима нагрева заготовок по минимуму расхода топлива при заданных температуре поверхности и перепаду температур в конце нагрева. Чем больше зон регулирования в печи, тем больший эффект можно получить;

2) обеспечение повышенной газоплотности смотровых окон и торцевого окна посада путём установки соответствующей арматуры. Это даст возможность поднять давление дыма в печи и исключит подсос холодного воздуха;

3) перевод печи с чисто противоточного режима на прямо-проти­во­точ­ный, что позволит выровнять давление по всей длине печи и исключит подсосы воздуха;

4) точно также как и для толкательных печей: применение более совершенных огнеупорных и теплоизоляционных материалов, а также интенсификация теплообмена;

5) комбинирование сводового отопления с торцевым и боковым отоплением, что позволит выровнять давление по длине печи и уменьшить выбивание дыма;

6) установка системы перегородок для интенсификации лучистого и конвективного теплообмена, повышения равномерности нагрева по длине заготовок в зоне выдачи;

7) удлинение неотапливаемой части печи со снижением температуры наружной поверхности стен до ~40 °С за счет оптимизации толщины футеровки.

Конструкции печей с шагающими балками (ПШБ). Мероприятия по снижению расхода топлива в ПШБ

Печь с шагающими балками (ПШБ) – методическая печь, в которой транспортирование заготовок происходит путём циклического поступательно-возвратного движения водоохлаждаемых балок. Принцип перемещения заготовок аналогичен тому, что было в печи с шагающим подом (рис. 9.9). Все отличия связаны с наличием водоохлаждаемых балок.

Главное преимущество ПШБ – четырёхсторонний, т.е. максимально быстрый нагрев заготовок. Главный недостаток – наличие разветвлённой системы водоохлаждаемых балок (опорных труб) и, соответственно, большие потери теплоты с охлаждающей водой.

Схема печи с шагающими балками приведена на рис. 9.10. На этом рисунке показана многозонная печь с торцевыми горелками. Отличительные особенности – верхний дымоотбор, два металлических трубчатых рекуператора, наличие рейтеров на продольных трубах.

Печь работает следующим образом. Заготовки подаются к торцу посада с помощью рольганга и сталкиваются с него на подину толкателем. На подине заготовки располагаются с зазором между собой. Подина состоит из системы опорных труб (балок) с установленными на продольных трубах рейтерами. Путём шагания балок заготовки перемещаются к торцу выдачи и там вытягиваются из печи механизмом поштучной выдачи при температуре 1150-1250 °С.

Рис. 9.10 – Схема печи с шагающими балками:

1 ‑ дымовой боров; 2 ‑ шибер; 3 ‑ механизм шагания; 4 ‑ загрузочный рольганг; 5 ‑ водяной затвор; 6 ‑ подина из труб с рейтерами; 7 ‑ рекуператор; 8 ‑ дымоотвод в боров; 9 ‑ воздухопровод; 10 ‑ газопровод; 11 ‑ горелки; 12 ‑ рольганг выдачи

Печь отапливается двухпроводными горелками. Дым от сжигания топлива проходит сверху и снизу от заготовок и удаляется из печи в районе торца посада через свод при температуре 900-1100 °С. В верхнем строении печи находится дымоход с установленными в нём рекуператорами.

Газоплотность узла сочленения вертикальных опорных труб и нижней футерованной плоскости обеспечивается гидравлическими затворами.

Удаление шлака (окалины) производится вручную механическим путём (скребки, пики и т.п.), а также путём применения компрессорного воздуха или кислорода, подаваемого с помощью переносных сопел. Очистка происходит через смотровые окна на уровне нижней отметки рабочего пространства.

Удельный расход топлива в ПШБ выше расхода топлива толкательной печи, имеющей двусторонний обогрев, и составляет 80-90 кг у.т./т металла, главным образом, за счёт отсутствия монолитного пода в томильной зоне.

Для сокращения расхода топлива можно предложить следующее:

1) увеличение расстояния между опорными трубами и, соответственно, уменьшение количества труб. Это сделать возможно, т.к. при механических расчётах прочности труб обычно берут многократно завышенный коэффициент запаса. Предлагаемое снижение числа труб не только снизит потери с водой, но и интенсифицирует теплообмен за счёт уменьшения экранирующего действия труб на металл;

2) применение волокнистой теплоизоляции на опорных трубах;

3) использование непараллельных продольных труб с целью уменьшения "тёмных" пятен от контакта заготовок с рейтерами и, соответственно, сокращение времени выдержки металла в томильной зоне;

4) применение системы испарительного охлаждения опорных труб;

5) применение эффективных огнеупорных и теплоизоляционных материалов в кладке свода и стен, а также интенсификация теплообмена в рабочем пространстве печи;

6) организация струйного подогрева металла с использованием высокотемпературных вентиляторов в начальный период нагрева (методическая зона);

Конструкции кольцевых печей. Мероприятия по снижению расхода топлива в кольцевых печах

Кольцевая печь – методическая печь, в которой перемещение заготовок происходит за счёт вращения кольцевого пода. Поэтому иногда кольцевую печь называют печью с кольцевым подом или карусельной печью.

Преимущества кольцевой печи перед остальными методическими печами: а) заготовки лежат неподвижно на вращающемся поду, поэтому в них можно нагревать заготовки и круглого сечения; б) самый низкий угар металла (0,5-0,7 %); в) высокая равномерность нагрева по периметру заготовок круглого сечения; г) возможность перевода печи на камерный режим отопления.

Схема кольцевой печи приведена на рис. 9.11. Печь работает следующим образом. Заготовки (трубные или колесные) загружаются в печь через окно загрузки с помощью внешних механических устройств. Далее за счёт периодического движения подины (на 10-12° при каждом движении) заготовки вместе с подиной проходят все необходимые зоны нагрева и выдаются через окно выгрузки также с помощью внешних механизмов. Угол между окнами загрузки и выгрузки в данном случае составляет около 28°. Время нагрева заготовки соответствует времени вращения подины на 360‑28 = 332°. Скорость вращения подины может изменяться в зависимости от размеров заготовок и марки стали.

Рис. 9.11 – Схема кольцевой печи:

1 ‑ заготовки; 2 ‑ дымоотбор; 3 ‑ стойки каркаса; 4 ‑ горелки; 5 ‑ промежуточный дымоотбор; 6 ‑ заслонка; 7 ‑ перегородка; 8 ‑ каркас; 9 ‑ воздухо- и газопроводы; 10 ‑ водоохлаждаемые трубы, поддерживающие перегородку; 11 ‑ вращающаяся подина; 12 ‑ опорная рама подины; 13 ‑ водяной затвор; 14 ‑ механизм перемещения подины

Печь отапливается газообразным топливом через горелки, расположенные в наружной и внутренней боковых стенах. Боковое расположение горелок, по аналогии со сводовым, позволяет достаточно просто организовать многозонный режим нагрева заготовок.

Продукты горения от сжигания топлива движутся навстречу нагреваемому металлу (вращению пода) и проходят три условные зоны: томильную (1200-1250 °С), сварочную (1300-1350 °С) и методическую. В конце методической зоны дым с температурой 700-900 °С удаляется через дымоход и направляется в металлический рекуператор (радиационный щелевой или трубчатый).

Газоплотность сочленения подины и стен обеспечивается применением песочных или водяных (гидравлических) затворов.

В отличие от других методических печей в кольцевой печи имеется возможность нагревать металл как по методическому, так и по камерному режиму. С этой целью в методической зоне предусмотрены горелки и между методической и сварочной зонами предусмотрен дополнительный дымоотбор. При камерном режиме нагрева заготовок включены горелки методической зоны и открыт шибер промежуточного дымоотбора.

Для поддержания определённых температурных и гидравлических условий в печи используются подвесные перегородки. Между подом и перегородкой остаётся зазор, необходимый для свободного перемещения заготовок. Обычно в печи от одной до четырёх перегородок. Перегородки изолируют окна загрузки и выгрузки, а также экранируют высокотемпературные зоны от низкотемпературных. С помощью перегородок создаётся необходимое гидравлическое сопротивление, направляющее продукты горения по большей дуге круга навстречу вращению подины.

Также как в печи с шагающим подом, в кольцевой печи возможен подсос холодного воздуха в методической зоне и в связи с этим – повышенный расход топлива.

Самая ответственная часть кладки – подина. Подина должна хорошо противостоять истиранию при посаде и выдаче заготовок, а также не взаимодействовать с окалиной, которая периодически удаляется вручную. Для повышения стойкости подины в ее составе должен быть большой процент Al₂O₃. Для уменьшения истирания подины печь оборудуется механизмами бережного посада и выдачи заготовок.

Удельный расход условного топлива в кольцевой печи 60-70 кг у.т./т металла.

Для снижения расхода топлива можно предложить следующее:

1) разбивка печи на максимально возможное количество зон регулирования с целью оптимизации температурного режима нагрева по минимуму расхода топлива;

2) в небольших печах исключение внутреннего кольца отопления и создание внутри единого огнеупорного монолита. Это позволит исключить потери через внутреннее кольцо, повысить температуру кладки и сократить время нагрева;

3) применение современных огнеупорных и теплоизоляционных материалов в кладке печи, а также интенсификация теплообмена в рабочем пространстве печи;

4) исключение подсосов холодного воздуха путём применения газоуплотняющей арматуры смотровых окон;

5) обогащение воздуха горения кислородом, что повышает парциальные давления СО₂ и Н₂О в продуктах горения с интенсификацией лучистого теплообмена и сокращает температуру и расход уходящих продуктов горения.

Конструкции секционных печей. Мероприятия по снижению расхода топлива в секционных печах

Секционная печь – проходная печь для скоростного нагрева перед прокаткой круглых заготовок длиной от 3 метров и диаметром до 200 мм и для термообработки длинных труб. Печь может быть использована и для подогрева полураската в линии прокатного стана.

Печь состоит из большого числа нагревательных секций с расположенными между ними (в тамбурах) вращающимися водоохлаждаемыми роликами. Ролики устанавливаются под углом к направлению движения изделия, что обеспечивает его вращение и равномерный нагрев. Скоростной нагрев обеспечивается в результате интенсивного теплообмена при высокой температуре печи. Секционные печи отапливаются газовым топливом.

Недостаток секционной печи – возможность перегрева металла при аварийных ситуациях, связанных с остановкой в его движении, из-за высокой теплоаккумулирующей способности футеровки секций.

Пример конструкции секционной печи приведён на рис. 9.12. Особенность данной конструкции – расположение рекуператоров под печью. Печь по длине имеет несколько зон нагрева, по 4-6 секций на зону. Каждая зона соединена дымоходами со своим рекуператором. Всего в печи может быть любое количество секций от 1 до 20-40 штук. Длина одной секции составляет 1-1,5 метра, длина тамбура – 0,4‑0,6 м.

Печь работает следующим образом. Заготовка подаётся рольгангом к первой секции и входит в неё консольно до контакта с роликами в тамбуре между 1-й и 2-й секциями. Поэтому, чтобы заготовка всегда имела опору на ролики, она должна быть достаточной длины (желательно не менее трёх расстояний между осями роликов). Проходя последовательно с одной и той же скоростью по всем зонам, нагретая заготовка выдаётся на рольганг прокатного стана. Иногда в последней зоне печи заготовка движется с более высокой скоростью.

Продукты сгорания (дым) образуются при сжигании газа в двухпроводных факельных горелках. Горелки (обычно от 2 до 6 штук) расположены в противоположных стенках рабочей камеры в разных уровнях для обеспечения вихреобразного циркулирующего движения дыма вокруг нагреваемой заготовки. Такое движение дыма способствует увеличению конвективной составляющей теплового потока на металл, хотя лучистая составляющая играет превалирующую роль, а также повышает равномерность нагрева металла. Температура в секции (зоне) может достигать 1450¸1500 °С.

Рис. 9.12 – Схема секционной печи:

1 ‑ водоохлаждаемый ролик; 2 ‑ тамбур; 3 ‑ каркас; 4 ‑ горелки; 5 ‑ заготовки; 6 ‑ воздухо- и газопроводы; 7 ‑ рекуператор; 8 ‑ сборный дымовой канал; 9 ‑ отверстие для термопары

Отработанный дым выходит из секции в относительно холодный тамбур, а оттуда вниз в дымоход. Вертикальные дымоходы от 3‑5 тамбуров объединяются в один канал, в котором стоит металлический радиационно-конвективный рекуператор для подогрева воздуха до 350‑400 °C. Для исключения пережога трубок металлического рекуператора дым перед рекуператором необходимо охлаждать холодным вентиляторным воздухом до 800‑900 °С. Некоторое количество холодного воздуха засасывается в дым через щели между тамбуром и примыкающими к нему секциями. После рекуператора дым уходит к дымовой трубе по дымовому борову.

Нагрев заготовок в секционной печи проходит в 2-3 раза быстрее по сравнению с нагревом в других методических печах и ограничен, главным образом, температурными напряжениями, возникающими в процессе нагрева заготовок. Ожидаемого в связи с этим резкого уменьшения окалинообразования не происходит. Дело в том, что поверхность заготовок больше времени находится при высоких температурах (1050-1250 °С) по сравнению с тем, что есть в других методических печах. Угар металла, нагреваемого в секционных печах перед прокаткой, составляет 0,7-1,5 %.

Удельный расход топлива в секционных печах высокий и составляет 85-140 кг у.т./т металла за счёт высокой температуры уходящего дыма и слабой утилизации его физической теплоты. Это проявляется в низкой температуре подогрева воздуха в рекуператоре.

Для сокращения расхода топлива в секционных печах можно рекомендовать следующее:

1) использование струйных рекуператоров перед металлическим трубчатым рекуператором. Это позволит поднять температуру подогрева воздуха и избежать разбавления дыма перед рекуператором холодным воздухом;

2) замену в подогревательных зонах двухпроводных горелок на скоростные горелки, направленные непосредственно на поверхность металла и реализующие струйный (струйно-факельный) нагрев;

3) применение малоинерционной футеровки секций, гофрирование и зачернение футеровки;

4) увеличение длины секций до 1,5-2,5 метра с соответственным уменьшением числа тамбуров и потерь теплоты на охлаждение транспортных роликов;

5) применение регенеративной системы отопления секций с использованием шариковой насадки для подогрева воздуха. Это позволит избежать разбавления дыма перед рекуператором холодным воздухом и полностью утилизировать физическую теплоту дыма;

6) переход с водяного на воздушное охлаждение роликов, особенно, при низких температурах нагрева металла. Применение рекуперативных роликов позволяет снизить расход топлива на печь;

7) обогащение кислородом воздуха горения. В результате увеличивается степень черноты дыма, уменьшается температура и расход уходящего дыма.

 

Термические печи. Характерные режимы термообработки

Термическая печь – печь для термической обработки металлических изделий. Термические печи классифицируются по технологическим признакам и назначению (закалочные, отжигательные, цементационные и др.), по способу нагрева (электрические, пламенные, косвенного нагрева), по среде рабочего пространства (воздух, газовая контролируемая среда, жидкая среда), по конструкции (камерные, колпаковые, ванные и т.д.), по режиму работы (периодического и непрерывного действия).

В процессе термической обработки повышается качество изделий или сообщаются дополнительные свойства, что обеспечивает сокращение расхода металла в процессе эксплуатации. Термической обработке подвергаются все виды горячекатаного и холоднокатаного проката: лист, уголок, проволока, рельс, труба, швеллер, лента и др.

Виды термической обработки:

1) сортовой прокат – полный и изотермический отжиг, нормализация, закалка (патентирование);

2) горячекатаный лист: а) нормализация или закалка с последующим отпуском; б) отжиг или высокий отпуск;

3) рельсы – нормализация, изотермическая выдержка, отпуск;

4) холоднокатаный лист и лента – рекристаллизационный отжиг.

Все виды термообработки можно разделить на две большие группы:

1) простой нагрев до определённой температуры с последующей выдачей на воздух (нормализация) или в жидкие среды (закалка). Пример режима – на рис. 9.13а;

2) нагрев до определённой температуры с последующей длительной изотермической выдержкой и, в завершение, регламентированным охлаждением или охлаждением вместе с печью (отжиг). Пример режима – на рис. 9.13б.

Для нагрева под нормализацию и закалку применяют нагревательные проходные печи всех типов, описанных ранее. Кроме этих печей применяют специализированные проходные и камерные печи, предназначенные для термической обработки конкретных видов продукции.

Для нагрева под отжиг применяют камерные печи и для отдельных видов продукции – протяжные печи непрерывного действия (отжиг ленты, полосы, проволоки).

Рис. 9.13 – Характерные режимы термообработки в термических печах:

а ‑ закалка (индекс "з") и нормализация (индекс "н") в проходной печи; б ‑ отжиг в камерной печи;

t_г ‑ температура дыма; t₀ ‑ начальная температура металла; t_п ‑ температура поверхности металла; t_с ‑ температура середины металла; q_пt ‑ плотность теплового потока на поверхности металла в процессе нагрева

Специализированная на термической обработке печь должна обеспечивать заданный технологией температурно-временной режим обработки изделия и высокую равномерность нагрева изделия. Обычные нагревательные печи не всегда в состоянии обеспечить необходимую в термообработке равномерность и точность нагрева. Так, при нагреве слитков под обработку давлением удельный перепад температуры в конце нагрева должен быть не более 100-300 °С на 1 метр толщины, а при нагреве заготовок – не более 1000 °С на 1 метр толщины. Как при нагреве слитков, так и заготовок абсолютное значение перепада температуры составляет 50-70 °С. При термической же обработке металлопродукции перепад температуры по сечению в конце режима термообработки чаще всего должен вообще отсутствовать или составлять не более 5‑10 °С. Когда говорят о перепадах температур, то в термических печах подразумевают перепад не по сечению, а по объему садки металла. Фактически – это разброс температуры по объему садки. Его величина обычно составляет 5‑10 °С, в то время как в нагревательных печах разброс температур может быть 80‑100 °С и больше. Поэтому и говорят, что при термообработке очень жесткие требования по равномерности нагрева.

В качестве примера рассмотрим самые распространённые пламенные термические печи из всего многообразия пламенных и электрических печей. Особенность пламенных печей – они отапливаются газом. Мазут и твёрдое топливо практически не используются.

Составление материального и теплового балансов термических печей имеет особенность, связанную с почти полным отсутствием окисления металла в процессе нагрева из-за малого уровня температур. Фактически материальный баланс можно свести к материальному балансу горения топлива, рассчитанному или на 1 кг топлива, или на 1 м³ топлива, или на 1 Дж химической энергии топлива. Ориентировочный материальный баланс термической печи приведен в табл. 9.5.

Таблица 9.5 – Ориентировочный материальный баланс процессов в рабочем пространстве термической печи (кг/м³ топлива и кг/МДж топлива)

Приход	кг/м3 топл.	кг/МДж топл.	Расход	кг/м3 топл.	кг/МДж топл.
1. Топливо (природный газ)	0,8	0,022	1. Продукты горения	13,8	0,381
2. Воздух для горения топлива	13,0	0,359
Итого	13,8	0,381	Итого	13,8	0,381

Тепловые балансы термических печей похожи на балансы соответствующих нагревательных печей, хотя существуют некоторые особенности, которые будут даны при рассмотрении этих печей.

Термические печи камерного типа

Камерная печь – печь с близкими по значению длиной, шириной и высотой рабочего пространства и с одинаковой во всех его точках температурой, предназначенная для нагрева или термической обработки материалов. Типичный представитель камерной печи для нагрева – нагревательный колодец. Из термических камерных печей известны камерные печи с выдвижным (выкатным) подом, камерные печи с неподвижным подом (с внешней механизацией) и колпаковые печи. Одно из основных отличий режимов нагрева и режимов термообработки в близких по конструкции печах состоит в том, что в термических печах часто реализуется режим: при заданном законе изменения температуры поверхности металла. Такой режим выдержать на практике гораздо труднее, т.к. он предполагает постоянную корректировку температуры печной атмосферы во времени.

Преимущество камерных печей – их универсальность в создании разнообразных температурно-временных условий. Недостатки: 1) большие потери теплоты на аккумуляцию кладкой при периодических загрузках – выгрузках металла; 2) печи не отвечают требованиям поточного производства.

Поэтому камерные печи применяются там, где нельзя использовать проходные печи, например, при сложных режимах термообработки, типа отжига.

Следует отметить особенности работы горелок в камерных термических печах.

Во-первых, в рабочем пространстве наблюдаются низкие рабочие температуры, находящиеся на уровне температуры воспламенения топлива и ниже. Поэтому для обеспечения стабильной работы горелок их надо оснащать запальниками (чаще электрическими).

Во-вторых, в камерной термической печи сильно изменяется (в 10-20 и более раз) тепловая мощность и, соответственно, расход топлива. В период нагрева мощность максимальна, а в период выдержки может упасть почти до нуля. Стандартные же горелки нагревательных печей допускают регулирование расхода газа в диапазоне 1:4. Поэтому на камерных термических печах должны устанавливаться специальные горелки с широким диапазоном регулирования (1:10, 1:20 и выше).

В-третьих, в камерных термических печах, как правило, недопустима работа горелок непосредственно в рабочем пространстве, т.к. это вызывает неравномерность нагрева садки от факела. Поэтому горелки устанавливают или в подподовых топках или в форкамерных топках. Форкамерные топки – небольшие топки в боковых стенах для предварительного сжигания топлива с коэффициентом расхода воздуха 0,8. От этих топок дым вводится в рабочее пространство с помощью инжекционных устройств за счёт высокоскоростных струй воздуха, что создаёт хорошую циркуляцию дыма, омывающего садку.

Камерная печь с выкатным подом. Приблизительные материальные и тепловые балансы. Мероприятия по снижению расхода топлива

Печь с выкатным подом – печь, в которой загрузка и выгрузка металла производятся цеховым краном на подину, выкатываемую относительно стен и свода печи. Эту печь используют в тех случаях, когда масса садки велика и имеет сложную "архитектуру", например, садка располагается в несколько слоёв.

Пример печи с выкатным подом приведён на рис. 9.14. Печь работает следующим образом.

В разогретой пустой печи поднимается заслонка и подина, опираясь на катки, выкатывается на площадку перед печью. Часто вместо катков используют колеса, прикрепляемые к раме подины и движущиеся по специально уложенным рельсам. С помощью подъёмного крана на выкатанную подину укладывается садка металла в определённом порядке. В это время горелки не работают, а стены и свод интенсивно отдают теплоту излучением на то место, где только что стояла подина. Поэтому место под подиной должно быть теплоизолировано. После загрузки всей садки подина вкатывается обратно, заслонка закрывается и включаются горелки. Горелки располагаются в нижней части боковых стен (на рис. 9.14 – 14 горелок; по 7 штук на каждой стене). Часто горелки располагаются в два ряда и сжигание топлива практикуется в форкамерах. В данном примере горелочные камни подобраны таким образом, что они создают факел под некоторым углом к стене для обеспечения интенсивной циркуляции дыма и максимальной равномерности нагрева садки. Продукты горения удаляются из рабочего пространства через дымовые окна в боковых стенках. В данном примере 16 каналов, по 8 в каждой стенке. Дым проходит по подъемным дымовым каналам и поступает в сборные каналы, располагаемые вдоль стен печи над сводом. Из сборных каналов дым поступает в общий канал, в котором находится рекуператор для подогрева воздуха. Охлажденный в рекуператоре дым направляется в дымовую трубу и выбрасывается без очистки в атмосферу. После завершения процесса термообработки подина выкатывается и металл заменяется на холодный. Далее процесс повторяется.

Рис. 9.14 – Камерная печь с выкатным подом:

1 ‑ заслонка; 2 ‑ механизм подъёма заслонки; 3 ‑ дымовой канал для соединения сборных каналов; 4 ‑ рекуператор; 5 ‑ металлический каркас; 6 ‑ подъемный дымовой канал; 7 ‑ сборные каналы, располагаемые вдоль стен над сводом; 8 ‑ рабочее пространство печи; 9 ‑ горелки; 10 ‑ горелочный камень; 11 ‑ песочный затвор; 12 ‑ дымовые окна; 13 ‑ отверстие для термопары; 14 ‑ подина; 15 ‑ ролики (катки, колёса); 16 ‑ механизм перемещения подины

Технологический процесс контролируется термопарами, вставляемыми через специально предусмотренные отверстия в стенах. Число смотровых и рабочих окон ограничено одним, закрытым в нормальном состоянии заслонкой.

Газоплотность печи обеспечивается системой песочных затворов, которые установлены между подиной и всеми стенами, а также между подиной и заслонкой.

Пример теплового баланса печи с выкатным подом приведен в табл. 9.6 и 9.7. Здесь приняты следующие условия: а) нагрев садки слябов (144 тонны) от 20 до 750 °С с примерно постоянной скоростью в течение 19,3 часа; б) выдержка при 750 °С в течение 8 часов. Соответственно, баланс разбивается на два самостоятельных баланса: периода нагрева и периода выдержки. Эти балансы легко объединяются в один баланс простым суммированием.

Таблица 9.6 – Ориентировочный тепловой баланс камерной печи с выдвижным подом в период нагрева (на 1 кг нагретого металла)

Приход		%	Расход		%
1. Химическая энергия топлива	1124	97,3	1. Физическая теплота нагретого металла (t = 750 °С)	498	43,1
2. Физическая теплота воздуха для горения (t = 20 °С)	16	1,4	2. Физическая теплота продуктов горения топлива (t = 800 °С)	402	34,8
3. Физическая теплота металла (t = 20 °С)	13	1,1	3. Потери теплоты на аккумуляцию кладкой и каркасом печи	97	8,4
4. Физическая теплота топлива (t = 20 °С)	2	0,2	4. Потери теплоты теплопроводностью через кладку	61	5,3
			5. Потери теплоты на нагрев опорных устройств	31	2,7
			6. Прочие потери	66	5,7
Итого	1155	100,0	Итого	1155	100,0

Таблица 9.7 – Ориентировочный тепловой баланс камерной печи с выдвижным подом в период выдержки (на 1 кг нагретого металла)

Приход		%	Расход		%
1. Физическая теплота металла (t = 750 °С)	498	93,3	1. Физическая теплота нагретого металла (t = 750 °С)	498	93,3
2. Химическая энергия топлива	34,7	6,5	2. Потери теплоты теплопроводностью через кладку	24	4,5
3. Физическая теплота воздуха для горения (t = 20 °С)	1,2	0,2	3. Физическая теплота продуктов горения топлива (t = 800 °С)	12	2,2
4. Физическая теплота топлива (t = 20 °С)	0,1	0,0
Итого	534	100,0	Итого	534	100,0

В данном примере удельный расход условного топлива составил (1124 + 34,7) / 29,3 = 40 кг у.т./т металла. Удельный расход условного топлива в печи выкатным подом сильно зависит от режима термической обработки – температур в печи и длительности пребывания металла в печи. Так, отжиг при температуре печи 800‑950 °С требует расхода топлива 40-130 кг у.т./т металла. Отпуск (при температуре печи 550 °С) требует расхода 25-60 кг у.т./т металла. Меньшие цифры относятся к термообработке за более короткое время.

Для сокращения расхода топлива можно рекомендовать следующее:

1. совершенствование системы отопления для интенсификации циркуляции дыма, быстрого и равномерного нагрева металла. Здесь подразумевается использование специальных форкамер, горелок, воздушных сопел, а также их количество и расположение;

2. в период выкатки подины закрытие оголяемого подподового пространства экраном в виде отражательной плёнки, цепляемой к заднему торцу подины;

3. разделение функций нагрева и выдержки между разными печами с пересадкой садки из одной печи в другую по ходу процесса, чтобы печи работали при постоянной мощности;

4. использование волокнистых теплоизоляционных материалов в кладке печи;

5. использование регенеративных горелок с шариковой насадкой;

6. применение импульсной системы отопления.

Камерная печь с неподвижным подом. Приблизительные материальные и тепловые балансы. Мероприятия по снижению расхода топлива

Камерная печь с внешней механизацией – печь, в которой загрузка и выгрузка металла происходит за счет механических устройств, расположенных за пределами печи. Эта печь не имеет тех потерь теплоты, которые есть в печи с выкатным подом при погрузке металла на подину. Но, с другой стороны, загрузка металла в печь с внешней механизацией усложнена. Обычно для крупных печей используется мощная напольная загрузочная машина, перемещающаяся по рельсам вдоль торцов загрузки ряда печей и обслуживающая эти печи. Если на заводе (в цехе) планируется иметь 1-2 печи, то нет смысла иметь громоздкую напольную машину, а надо иметь печи с выкатным подом.

Пример печи с неподвижным подом представлен на рис. 9.15. Особенность данной печи в наличии подподовой топки для сжигания топлива.

Рис. 9.15 – Камерная печь с внешней механизацией:

1 ‑ рабочее пространство; 2 ‑ каркас; 3 ‑ отверстия для термопар; 4 ‑ дымоотводящие каналы; 5 ‑ заслонка; 6 ‑ подподовая топка; 7 ‑ канал входа дыма в рабочее пространство; 8 ‑ сборный канал для дыма; 9 ‑ механизм подъёма заслонки; 10 ‑ уг­луб­ления в подине для лап напольной машины; 11 ‑ рециркуляционный канал; 12 ‑ го­рел­ка

Принцип работы печи следующий. Перед загрузкой садку готовят, т.е. укладывают на специальные подставки. Далее лапы напольной машины пропускаются под эти подставки и вся садка полностью отвозится напольной машиной к нужной печи. В печи поднимается заслонка и на лапах напольной машины садка заносится в печь. После этого лапы опускаются в специально предусмотренные углубления в подине, передавая садку подине, и вытаскиваются из печи. Заслонка закрывается. Подставки, на которые укладывалась садка, остаются в печи на всё время термообработки, используются многократно и поэтому они выполняются из жаропрочной стали.

После загрузки садки включаются горелки в подподовых топках. Образовавшиеся продукты горения проходят под подиной и поступают в рабочее пространство через канал 7 (рис. 9.15). Через рециркуляционный канал 11 в подподовую топку подсасываются газы из рабочего пространства. В результате этого снижается уровень температуры газов, выходящих в рабочее пространство, и обеспечивается интенсивная циркуляция печных газов.

Отвод отработанного дыма происходит через отверстия в боковых стенках на уровне подины и возле свода. Отверстия и вертикальные каналы для отвода дыма хорошо видны на разрезе А-А пунктирными линиями. Дым с левой и правой стенок печи собирается в один канал (на рис. 9.15 не показано) и далее через рекуператор уходит к дымовой трубе. Обычно несколько печей обслуживаются одной дымовой трубой.

Печь достаточно газоплотна, единственный песочный затвор устанавливается между заслонкой и подиной. Как и другие камерные печи, печь не имеет дополнительных смотровых окон.

Ориентировочный тепловой баланс печи с неподвижным подом приведен в табл. 9.8. Данный баланс составлен при следующих условиях: нагрев садки массой 320 кг под закалку от 20 до 850 °С с конечным перепадом температур по сечению 5 °С.

В данном примере удельный расход топлива составил 3716 / 29,3 = 127 кг у.т./т металла из-за высокой температуры уходящих из печи продуктов горения и отсутствия теплоутилизирующих устройств. В целом, удельный расход топлива в печи с внешней механизацией меньше, чем в печи с выкатным подом, и составляет при отжиге (температура печи 840 °С) в зависимости от длительности процесса термообработки около 40-140 кг у.т./т металла.

Таблица 9.8 – Ориентировочный тепловой баланс камерной печи с неподвижным подом (на 1 кг нагретого металла)

Приход		%	Расход		%
1. Химическая энергия топлива	3716	98,4	1. Физическая теплота нагретого металла (t = 850 °С)	580	15,4
2. Физическая теплота воздуха для горения (t = 20 °С)	49	1,3	2. Физическая теплота продуктов горения топлива (t = 1045 °С)	2079	55,0
3. Физическая теплота металла (t = 20 °С)	8	0,2	3. Потери теплоты на аккумуляцию кладкой	469	12,4
4. Физическая теплота топлива (t = 20 °С)	5	0,1	4. Потери теплоты теплопроводностью через кладку	403	10,7
			5. Потери теплоты излучением при посаде и выдаче садки	247	6,5
Итого	3778	100,0	Итого	3778	100,0

Для снижения расхода топлива можно предложить следующее:

1. совершенствование системы отопления для улучшения циркуляции дыма в рабочем пространстве, например, путём совмещения форкамерного и подподового сжигания топлива, применением импульсной системы отопления;

2. разделение функций нагрева и выдержки между разными печами с пересадкой садки из одной печи в другую по ходу процесса термообработки;

3. оптимизация температурного режима термообработки путём максимально быстрого прохождения первой стадии нагрева;

4. использование современных теплоизоляционных материалов в кладке печи;

5. организация отопления печи регенеративными горелками с шариковой насадкой.

Колпаковая печь. Приблизительные материальные и тепловые балансы. Мероприятия по снижению расхода топлива

Колпаковая печь – печь периодического действия для термообработки рулонов ленты, листов и бунтов проволоки. Отличительная особенность колпаковой печи – наличие двух колпаков: внутреннего, предохраняющего металл от окисления (муфеля), и наружного, футерованного огнеупорным кирпичом, на котором монтируются горелки или электрические нагреватели. Муфель выполняется из жароупорной стали. Герметизация колпаковой печи достигается применением песочных затворов. Обычно для ускорения нагрева металла с помощью внутреннего циркуляционного вентилятора создают интенсивную циркуляцию защитного газа под муфелем.

Принципиальные отличия имеют колпаковые печи для отжига листов, уложенных в стопу; колпаковые печи одностопные, колпаковые печи трёхстопные и колпаковые печи для отжига распушенных рулонов. Из этого многообразия конструкций наиболее распространена одностопная печь. Она лучше других вписывается в поточное производство, нагревает металл достаточно равномерно и быстро, даёт низкую себестоимость нагрева и довольно низкий расход топлива.

Пример одностопной колпаковой печи приведен на рис. 9.16.

Рис. 9.16 – Схема колпаковой печи:

1 ‑ вход в дымовой боров; 2 ‑ инжектор; 3 ‑ кольцевой канал сжатого воздуха; 4 ‑ конвекторное кольцо; 5 ‑ рулон; 6 ‑ нагревательный колпак; 7 ‑ крышка; 8 ‑ двойной муфель; 9 ‑ рабочее колесо вентилятора; 10 ‑ газопровод; 11 ‑ горелка; 12 ‑ песочный затвор

Время нагрева в колпаковой печи является главным фактором, влияющим на расход топлива. Время зависит от условий теплообмена на торцах и боковой поверхности рулонов металла. Известно, что для прогрева плотносмотанных рулонов в радиальном направлении требуется времени в несколько раз больше, чем для прогрева в аксиальном направлении. Это связано с тем, что коэффициент теплопроводности в радиальном направлении для стали составляет только 1,5-4 Вт/(м×К), а в аксиальном направлении около 30 Вт/(м×К). Низкие значения коэффициента теплопроводности в радиальном направлении связаны с наличием воздуха между витками рулона. Для обеспечения подвода необходимого количества теплоты к торцам рулонов служат специальные устройства, называемые конвекторными кольцами и размещаемые между рулонами. Они представляют собой набор узких параллельных спиралевидных каналов между плоскими пластинами. По каналам проходит горячий защитный газ, отдающий свою теплоту. Высота конвекторных колец – 50-120 мм.

Равномерность нагрева металла определяется типом направляющего аппарата, расположенного в самом низу муфеля. Внутри аппарата располагается рабочее колесо циркуляционного вентилятора. Защитная атмосфера подсасывается в аппарат сверху вниз и распределяется по периферии.

Принцип работы колпаковой печи определяется технологическим процессом, который делится на три примерно одинаковые стадии: нагрев до 650-800 °С, охлаждение под муфелем до 150 °С и без него и последняя стадия –разгрузка и загрузка стенда. Равенство времени по стадиям позволяет использовать три стенда с одним нагревательным колпаком и двумя муфелями. Загрузка металла заканчивается опусканием на стенд поверх стопы рулонов муфеля и нагревательного колпака. После этого подаётся защитный газ (обычно смесь из 95 % N₂ и 5 % Н₂) и с помощью циркуляционного вентилятора осуществляется его циркуляция. Затем включаются горелки. Продукты горения проходят между нагревательным колпаком и муфелем и при помощи инжектора (инжектирующая среда – компрессорный воздух) удаляются в дымоотводы и в дымовой боров. Температура дыма перед инжектором около 630-660 °С. В колпаковых печах физическая теплота дыма обычно не утилизируется, что можно считать одним из недостатков печей.

Защитный газ подается циркуляционным вентилятором в зазор между муфелем и рулонами стопы. Газ равномерно распределяется по конвекторным кольцам и через них попадает во внутренние полости рулонов, омывая их. Опускаясь по внутренней полости стопы газ возвращается в циркуляционный вентилятор. Кольца получают теплоту от защитного газа конвекцией и нагревают рулоны. Муфель излучает на боковую поверхность металла, но тепловой поток несущественен для нагрева рулонов из-за отмеченного ранее низкого коэффициента теплопроводности в радиальном направлении. Исключение делается для верхнего рулона, который получает теплоту на свой торец. Поэтому верхний рулон всегда греется быстрее других. В наихудших условиях нагрева и охлаждения находится нижний рулон. Проблемой является низкий коэффициент теплоотдачи от муфеля к защитному газу, в результате чего вынужденно поддерживаются высокими температура муфеля и температура дыма под нагревательным колпаком. Это приводит к повышенной температуре уходящих газов и высокому расходу топлива.

Ориентировочный вид теплового баланса камеры сжигания топлива колпаковой печи (под нагревательным колпаком) приведен в табл. 9.9.

При составлении баланса принято следующее. Происходит нагрев стопы из 4 рулонов стальной ленты диаметром 2,2 метра от 60 до 720 °С. Масса садки – 110,4 тонны. Время нагрева – 50 часов. Допустимая разница температур по объему садки – 50 °С. Топливо – коксодоменная смесь с низшей теплотой сгорания 6,65 МДж/м³.

В данном примере удельный расход топлива составил 1129/29,3 = 39 кг у.т./т металла. Обычно удельный расход топлива в одностопных колпаковых печах в зависимости от режима термообработки составляет от 35 до 50 кг у.т./т металла.

Таблица 9.9 – Ориентировочный тепловой баланс колпаковой печи (на 1 кг нагретого металла)

Приход		%	Расход		%
1. Химическая энергия топлива	1129	96,7	1. Физическая теплота нагретого металла (t = 705 °С)	437	37,4
2. Физическая теплота металла (t = 60 °С)	29	2,5	2. Физическая теплота продуктов горения топлива (t = 900 °С)	615	52,6
3. Физическая теплота воздуха для горения (t = 20 °С)	6	0,5	3. Потери теплоты теплопроводностью через кладку	66	5,7
4. Физическая теплота топлива (t = 20 °С)	4	0,3	4. Прочие потери теплоты	50	4,3
Итого	1168	100,0	Итого	1168	100,0

Пути экономии топлива в колпаковых печах:

1. использование рекуператоров для подогрева воздуха до 350-390 °С, что снижает расход топлива на 17-20 %;

2. интенсификация теплообмена между нагревательным колпаком и муфелем (специальная обмазка внутренней поверхности нагревательного колпака, скоростные горелки и т.п.);

3. разработка оптимальной конструкции конвекторных колец, обеспечивающих высокую теплоотдачу к торцам рулонов и имеющих низкое гидравлическое сопротивление;

4. применение в кладке волокнистых огнеупорных материалов, позволяющих примерно в 2 раза снизить потери теплоты на аккумуляцию кладки;

5. разработка конструкции печи с условиями теплообмена на всех торцах рулонов, похожими на условия для верхнего торца верхнего рулона;

6. замена двух колпаковых печей одной реверсивной печью, принцип которой аналогичен работе стана Стеккеля: две обогреваемые камеры с печными моталками. Но в отличие от стана Стеккеля, между камерами с моталками находится система стационарных и подвижных роликов, подогревающих или охлаждающих ленту рулона при перематывании;

7. изменение схемы подачи защитного газа: газ подается циркуляционным вентилятором не по периферии, а по центру рулона и через конвекторные кольца выбрасывается струями на стенки защитного муфеля. При этом резко увеличивается теплоотдача на внутренней поверхности муфеля, что приводит к сокращению времени цикла термообработки на 20-30 % и сокращению расхода топлива.

 

Термические печи проходного типа

Проходная термическая печь по принципу работы соответствует нагревательной проходной печи, но в силу некоторых причин для нагрева металла под деформацию не используется.

Основные типы узкоспециализированных проходных термических печей: конвейерная печь, роликовая печь и протяжная печь. Из этих печей конвейерная и роликовая печь могут быть применены для нагрева металла, но не используются по экономическим соображениям, т.к. имеют большие потери теплоты с транспортирующими устройствами (конвейер и ролики охлаждаются: конвейер – на воздухе, а ролики – водой или воздухом), а элементы конвейера и ролики имеют низкую стойкость при высоких температурах.

С другой стороны, обычные нагревательные печи (печи с шагающим подом, кольцевые печи, секционные печи и др.) используются при термической обработке металла с некоторыми изменениями в конструкции, такими, как замена горелок, исключение контакта металла с факелом, повышение герметичности кладки и т.п.

Конвейерная печь. Приблизительные материальные и тепловые балансы. Мероприятия по снижению расхода топлива

Конвейерная печь – печь, снабжённая внутренним конвейером (ленточным, люлечным, цепным, скребковым), перемещающим нагреваемые изделия от загрузочного отверстия печи к выгрузочному. В металлургии конвейерная печь чаще всего имеет цепной конвейер. Металл в такой печи нагревается до температуры 850¸900 °С и реже до 1000-1050 °C. Эта температура ограничена сверху стойкостью конвейерной цепи и определяется маркой стали цепи.

Круговое движение цепи происходит за счёт зубчатых колёс (звёздочек), расположенных в противоположных концах печи за пределами рабочего пространства.

В качестве примера на рис. 9.17 показана конвейерная печь. Особенности печи: а) нагрев и изотермическая выдержка рельсов; б) наличие инжекционных горелок в подподовых каналах; в) плоский подвесной свод; г) прямо-противоточный режим работы.

Печь работает следующим образом. Рельсы длиной 25 метров подаются рольгангом к торцу загрузки (на рис. 9.17 – справа) и передаются с рольганга на цепной конвейер. Проходя первую половину печи, рельсы нагреваются движущимися навстречу продуктами сгорания топлива до 450‑600 °С. Во второй половине печи продукты горения движутся в одном направлении с металлом и таким образом поддерживается достигнутая температура металла. При выходе из печи рельс передаётся с цепного конвейера на отводящий рольганг.

Продукты горения образуются от сжигания топлива в подподовых топках с использованием инжекционных горелок. По длине печи имеются две топки, а по ширине печи – около 15 топок. Соответственно длина печи около 13 метров, а ширина около 27 метров. Дым поступает в рабочее пространство печи через специальные отверстия в сводиках подподовых топок, омывает рельсы, двигающиеся на конвейере, и через металлические дымоотводы окна посада и окна выдачи удаляются на дымовую трубу. Дым не используется для подогрева воздуха и газа. Печь отапливается коксодоменной смесью с теплотой сгорания 5500 кДж/м3.

Рис. 9.17 – Схема конвейерной печи:

1 ‑ газопровод; 2 ‑ горелка; 3 ‑ отводящий рольганг; 4 ‑ дымоотбор; 5 ‑ держатели подвесного свода; 6 ‑ дымовой канал; 7 ‑ рабочая площадка; 8 ‑ смотровое окно; 9 ‑ отверстия в своде подподовой топки; 10 ‑ подподовая топка; 11 ‑ подводящий рольганг; 12 ‑ привод; 13 ‑ цепь; 14 ‑ канал для возврата цепи

Недостатки конвейерной печи: 1) большой вынос теплоты из рабочего пространства элементами цепи; 2) низкая стойкость цепи; 3) неравномерный прогрев металла в месте контакта с цепью.

Ориентировочный тепловой баланс конвейерной печи приведен в табл. 9.10. Баланс составлен для случая нагрева перед закалкой полосовых заготовок толщиной 10 мм. Печь оборудована цепным конвейером, имеет 3 зоны отопления, длина печи 9 метров. Производительность 2 т/час. Температура нагрева металла 890 °C. Защитная атмосфера отсутствует.

Таблица 9.10 – Ориентировочный тепловой баланс конвейерной печи (на 1 кг нагретого металла)

Приход		%	Расход		%
1. Химическая энергия топлива	1975	91,3	1. Физическая теплота нагретого металла (t = 890 °С)	596	27,5
2. Физическая теплота цепного конвейера (t = 300 °С)	165	7,6	2. Физическая теплота продуктов горения топлива (t = 800 °С)	699	32,4
3. Физическая теплота воздуха для горения (t = 20 °С)	14	0,6	3. Физическая теплота цепного конвейера (t = 890 °С)	596	27,5
4. Физическая теплота металла (t = 20 °С)	10	0,5	4. Потери теплоты теплопроводностью через кладку	195	9,0
5. Физическая теплота топлива (t = 20 °С)	1	0,0	5. Прочие потери теплоты	79	3,6
Итого	2165	100,0	Итого	2165	100,0

В данном примере удельный расход условного топлива составил 1975/29,3 = 67 кг у.т./т металла. В целом удельный расход условного топлива в конвейерной печи находится в широких пределах и зависит от отношения массы нагреваемого металла к массе транспортирующих устройств, а также от температуры нагрева металла. Чем выше это отношение масс и чем ниже температура нагрева, тем ниже расход топлива. Так, низкие расходы топлива имеют печи для изотермической выдержки массивных рельсов при температуре 450-600 °С: всего 30-35 кг у.т./т металла. При термообработке легковесных изделий при высокой температуре расход топлива может составлять 100-115 кг у.т./т металла.

Для сокращения расхода топлива в конвейерной печи можно рекомендовать следующее:

1. применение менее массивных цепей из жаростойких сталей с хорошей стойкостью против трения;

2. использование теплоты нагретых цепей для подогрева воздуха, например, путём забора вентилятором воздуха из нижних каналов для возврата цепей;

3. установку газоплотного рекуператора для подогрева топлива теплотой дымовых газов;

4. интенсификацию конвективного теплообмена в рабочем пространстве печи путём организации рециркуляции дымовых газов.

Роликовая печь. Приблизительные материальные и тепловые балансы. Мероприятия по снижению расхода топлива

Роликовая печь – проходная печь непрерывного действия, подина которой состоит из большого числа вращаемых специальным приводом роликов, выполненных из жаропрочной стали или водоохлаждаемых. Роликовые печи отапливаются, главным образом, газообразным топливом с использованием большого числа горелок или радиационных труб, расположенных на продольных стенах печи выше и ниже роликов; существуют также электрические печи. Роликовые печи применяют для термической обработки металлических изделий и, реже, для нагрева металла перед горячей обработкой давлением.

Преимущество роликовой печи перед другими печами проходного типа одно: роликовая подина наилучшим образом соответствует условиям поточного производства, т.к. она легко встраивается в цеховые рольганги.

Самым ответственным элементом роликовой печи являются ролики. Их стойкость зависит от температуры в печи и ширины печи. Печи с температурой газа 800-1000 °С оснащают неохлаждаемыми роликами, а с температурой 1000-1200 °С – роликами с водоохлаждаемым несущим валом, пространство между которым и бочкой заполнено теплоизолятором. В любом случае в роликах охлаждают цапфы (для справки: цапфа – часть оси или вала, опирающаяся на подшипник). В подавляющем большинстве случаев ролики делают водоохлаждаемыми, с гладкой бочкой из жаропрочной хромоникелевой стали. Во избежание деформации бочки ролика, он должен вращаться постоянно, – остановки допустимы не дольше, чем на 3-4 минуты.

Кладка рабочего пространства печи выполняется из шамотного кирпича (внутренний слой) и любого теплоизоляционного материала (наружный слой).

Пример роликовой печи приведён на рис. 9.18. Печь предназначена для нагрева под закалку листов, пачек листов и сортового проката. Габариты рабочего пространства 2´2´20 метров. В отличие от обычных конструкций термических печей, в данной конструкции горелки создают факел прямо в рабочем пространстве, т.е. отсутствуют форкамеры, радиационные трубы и подподовые топки. Такая конструкция больше подходит для нагрева металла перед деформацией, но в отдельных случаях с особой осторожностью может использоваться и для сложной термообработки типа отжиг. Потенциальные возможности данной печи для проведения качественной изотермической выдержки заложены в двустороннем по длине печи дымоотборе и организации прямо-противоточного режима тепловой обработки металла в среде продуктов горения.

Печь работает следующим образом. Металл для термообработки поступает на приёмный стол прямо с рольганга, если печь встроена в технологическую линию, или подаётся краном (например, пачки листов). Заслонка торца посада открывается и металл заходит в печь в дополнение к имеющейся садке; заслонка опускается. Металл постепенно проходит по постоянно вращающимся роликам и нагревается до необходимой температуры (1150 °С). Благодаря боковому расположению горелок, возможен не только простой нагрев под закалку (нормализацию) или высокий отпуск, но и более сложный изотермический отжиг (нагрев до 750-800 °С, выдержка, охлаждение до 600-700 °С, выдержка).

После завершения термообработки готовый металл выдаётся на рольганг выдачи, соединённый с камерой ускоренного водяного охлаждения (закалка). Таким образом, печь постоянно пополняется холодным металлом и постепенно выдаёт нагретый металл.

Рис. 9.18 – Схема роликовой печи:

1 ‑ приёмный стол; 2 ‑ механизм подъёма заслонки; 3 ‑ площадка для обслуживания термопар; 4 ‑ горелки; 5 ‑ ролики; 6 ‑ отверстия для термопар; 7 ‑ дымовой боров; 8 ‑ подвод и отвод охлаждающей воды; 9 ‑ устройство для вращения роликов

Продукты горения топлива образуются непосредственно в рабочем пространстве печи от работы двухпроводных пламенных горелок. Приблизительно до середины печи дым идёт навстречу металлу (в противотоке), а далее в прямотоке. Дым удаляется из печи вниз по вертикальным каналам в районе торцов печи, далее соединяется в единый поток, проходит рекуператор для подогрева воздуха и через дымовую трубу выбрасывается в атмосферу.

Ориентировочный тепловой баланс роликовой печи приведен в табл. 9.11. При составлении баланса приняты следующие исходные данные: а) норма­лизация труб диаметром 42 мм, объединенных в пакеты; б) про­из­води­тельность печи 24 т/час; в) нагрев металла от 20 до 950 °С в трех зонах регулирования в течение 0,117 часа; г) двусторонний нагрев металла в атмосфере защитного газа тупиковыми радиационными трубами диаметром 152 мм; д) из водоохлаждаемых элементов в роликах присутствуют только цапфы.

В данном примере удельный расход условного топлива составляет 1186/29,3 = 40 кг у.т./т металла. В целом расход топлива в роликовых печах колеблется от 40 до 200 кг у.т./т металла. Так, удельный расход условного топлива в высокотемпературных роликовых печах при нагреве металла под закалку до 1150 °С составляет до 200 кг у.т./т металла, что больше, чем в других печах за счет больших потерь на охлаждение роликов.

Для сокращения расхода топлива возможны следующие варианты:

1. уменьшение поверхности (диаметра) теплообмена роликов и количества роликов исходя из расчётной механической прочности при минимальных коэффициентах запаса прочности;

2. создание эффективной теплоизоляции бочки роликов;

3. сокращение времени термообработки за счёт повышения качества нагрева. Качество возможно повысить заменой обычных горелок на горелки с форкамерами или на радиационные трубы;

4. интенсификация конвективного теплообмена в рабочем пространстве печи (создание развитой рециркуляции, струйный нагрев сводовыми горелками в первом периоде нагрева и т.п.).

Таблица 9.11 – Ориентировочный тепловой баланс роликовой печи (на 1 кг нагретого металла)

Приход		%	Расход		%
1. Химическая энергия топлива, сжигаемого в радиационных трубах	1186	89,8	1. Физическая теплота нагретого металла (t = 950 °С)	657	49,7
2. Физическая теплота воздуха для горения (t = 280 °С)	123	9,3	2. Физическая теплота продуктов горения топлива (t = 800 °С)	484	36,7
3. Физическая теплота металла (t = 20 °С)	10	0,8	3. Потери теплоты при охлаждении цапф роликов и теплопроводностью через фланцы роликов	124	9,4
4. Физическая теплота топлива (t = 20 °С)	1	0,1	4. Потери теплоты теплопроводностью через кладку	21	1,6
			5. Потери теплоты на нагрев утечек защитного газа, теряемого в атмосферу	1	0,1
			6. Прочие потери теплоты	33	2,5
Итого	1320	100,0	Итого	1320	100,0

Протяжная печь. Приблизительные материальные и тепловые балансы. Мероприятия по снижению расхода топлива

Протяжная печь – печь непрерывного действия для термической или химико-термической обработки металлической полосы (ленты) или проволоки, а также для нагрева штрипсов станов непрерывной печной сварки труб. Для справки: штрипс – стальная полоса, используемая в качестве заготовки для производства сварных труб. По конструктивному признаку протяжные печи делят на горизонтальные (одно- и многоэтажные) и вертикальные (башенные). Полосу протягивают в одну (однорядные протяжные печи) или несколько (многорядные протяжные печи) ниток. В протяжной печи для патентирования (для справки: патентирование – вид термообработки проволоки, при котором сталь нагревают до 870-950 °С, а затем быстро охлаждают в ванне до 500 °С, после чего охлаждают на воздухе) проволоку протягивают горизонтально в несколько ниток (до 24). Протяжные печи отапливаются газовым топливом, иногда мазутом; имеются протяжные печи с электрообогревом.

Отжиг металла в протяжных печах имеет ряд преимуществ по сравнению с отжигом в колпаковых печах:

· сокращение длительности отжига;

· более высокие механические свойства и качество поверхности за счёт высокой равномерности нагрева металла;

· включение отжига в непрерывный процесс очистки металла, травления, нанесения различных покрытий и т.д. За счёт этого ликвидация затрат на транспортировку рулонов от агрегата к агрегату и промежуточным местам складирования.

Однако не любой металл можно пропускать через протяжные печи. Например, в вертикальных печах можно обрабатывать ленту толщиной до 1 мм из-за частых перегибов, а в горизонтальных печах – до 4-6 мм (протяжка прямолинейная, без перегибов). Достоинство вертикальных печей – меньшая производственная площадь и выравнивание поверхности ленты, которая перед термообработкой может быть волнистая или с помятостями.

В качестве примера на рис. 9.19 приведена схема линии для отжига жести (для справки: жесть – тонкая малоуглеродистая сталь), имеющая в своем составе вертикальную протяжную печь.

Рис. 9.19 – Схема линии для отжига жести с вертикальной протяжной печью:

1 ‑ разматыватели рулонов; 2 ‑ тянущие ролики; 3 ‑ ножницы для обрезки концов ленты; 4 ‑ сварочная машина для сварки концов; 5 ‑ ванна с раствором для очистки ленты; 6 ‑ моющее устройство; 7 ‑ устройство для осушки ленты струями воздуха; 8 ‑ петлевые башни; 9 ‑ ножницы для вырезки сварных швов; 10 ‑ сматыватели; 11 ‑ натяжные устройства; 12 ‑ регулятор натяжения ленты; 13 ‑ камера восстановительного нагрева; 14 ‑ камера выдержки; 15 ‑ камера регулируемого охлаждения; 16 ‑ камера ускоренного охлаждения

В начале линии находятся два разматывателя рулонов. Один работает, а соседний готовится. Лента должна проходить через печь непрерывно без остановок, длина ленты достигает 1 км, а скорость – 10 м/с. Поэтому когда заканчивается лента на одном разматывателе, то обрезается задняя кромка этой ленты и кромка фиксируется на сварочной машине за счёт подъёма нижних роликов петлевой башни. Петлевые башни можно назвать буферами между печью и другими механизмами. В линию задаётся передний конец нового рулона, обрезается его кромка и на сварочной машине свариваются концы предыдущего и нового рулонов. Лента получает прежнюю скорость за счёт опускания роликов петлевой башни. В процессе движения поверхность ленты очищается в специальной ванне, промывается, высушивается и после прохода петлевой башни попадает в протяжную печь, состоящую из камеры восстановительного нагрева, камеры выдержки, камеры регулируемого охлаждения и камеры ускоренного охлаждения. Размеры печи: высота 15-20 метров, ширина 30-40 метров, толщина около 1,5 метра. Набор камер может быть разный на разных печах. Например, могут быть добавлены камера подогрева, камера нагрева продуктами неполного горения (т.е. камера безокислительного нагрева), камера для нанесения покрытий.

После печи располагается ещё одна петлевая башня с поднимающимися и опускающимися нижними роликами, служащая для накопления металла на то время, пока ножницы вырезают сварной шов и происходит переключение с одного сматывателя на другой.

Камера восстановительного нагрева предназначена для нагрева металла до максимальной температуры, требуемой по технологии. В качестве нагревательных устройств камеры восстановительного нагрева обычно используются радиационные трубы. В камере выдержки технологический процесс поддерживается, например, электрорадиационными трубами, располагаемыми вдоль стен кладки. Задача электрорадиационных труб – компенсация тепловых потерь через кладку. В качестве охладителя камеры регулируемого охлаждения обычно используется рассредоточенная система труб, внутри которых пропускается воздух. В камере ускоренного охлаждения охладителем может быть система трубок струйного охлаждения, из множества отверстий которых на ленту истекает восстановительный газ.

Протяжная печь обычно заполнена защитной атмосферой, состоящей из азота и водорода, как продуктов диссоциации аммиака. Наиболее распространена нейтральная атмосфера: 4 % Н₂ и 96 % N₂. Содержание кислорода допускается не более 0,01-0,02 %. Защитная атмосфера отсутствует в камере подогрева, в которой дожигаются продукты неполного горения камеры безокислительного нагрева.

Наиболее энергоёмкой частью протяжной печи является камера восстановительного нагрева (рис. 9.20). Габариты камеры: высота 15‑20 метров, длина 7‑10 метров, ширина около 1,5 метра. Камера восстановительного нагрева наполнена защитной атмосферой, поэтому обогревается радиационными трубами. В отличие от колпаковой печи здесь закрыт муфелем огонь, а не металл.

Побудителями движения ленты являются тянущие ролики, расположенные за печью. Ролики в камере восстановительного нагрева являются поддерживающими. Они имеют посередине бочки утолщение для лучшей центровки ленты. В случае обрыва ленты её можно снова заправить через верхние и нижние люки, равномерно расположенные по оси роликов. В нормальном состоянии люки герметично закрыты. Для исключения попадания кислорода (воздуха) вместе с входящей лентой, устроен механический затвор обычно из отжимных роликов.

Камера восстановительного нагрева работает следующим образом. Лента входит через нижнее отверстие в камеру восстановительного нагрева и, проходя между роликами вверх-вниз, нагревается от радиационных труб излучением. Конвективная составляющая теплообмена мала, т.к. принудительного движения защитной атмосферы не предусмотрено. Температура нагрева ленты постоянно контролируется или контактными (скользящими) термопарами или пирометрами или сочетанием этих способов. На выходе из камеры восстановительного нагрева лента с температурой 700-800 °С попадает в разделительный тамбур и далее в камеру выдержки.

Рис. 9.20 – Камера восстановительного нагрева вертикальной протяжной печи:

1 ‑ лента; 2 ‑ тамбур между камерами нагрева и выдержки; 3 ‑ окна с герметичными люками; 4 ‑ рабочие площадки; 5 ‑ радиационные трубы; 6 ‑ люки для заправки ленты; 7 ‑ ролики; 8 ‑ газо- и воздухопроводы; 9 ‑ дымоходы; 10 ‑ герметизирующий механический затвор

Радиационные трубы камеры восстановительного нагрева работают под разрежением на газовом топливе с встроенным рекуператором. Температура дыма на выходе из трубы 700-800 °С. Дым улавливается зонтами – воронками, которые рассчитываются таким образом, чтобы подсасываемый воздух разбавлял дым до 400 °С. Это необходимо для устойчивой работы дымососа. Дым от всех радиационных труб собирается вместе и удаляется через дымовую трубу в атмосферу.

Недостатки вертикальной печи

· низкий уровень развития процессов теплообмена в камере восстановительного нагрева. Коэффициент излучения составляет только 1,5‑2 Вт/(м²×К⁴), в то время как в нагревательных печах он равен 3,5‑5 Вт/(м²×К⁴). Доля теплоты, передаваемая конвекцией, не более 10‑20 %. В конечном итоге камеры восстановительного нагрева являются очень громоздкими;

· при обработке отдельных типов стали (электротехническая и др.) на поверхности бочек роликов образуются наросты, которые царапают ленту и приводят к браку. Специальные покрытия бочки оксидом циркония уменьшают наросты, но и удорожают ролики;

· повышенные тепловые потери с дымом при форсированных режимах работы печи.

Тепловой баланс протяжной печи лучше давать по отдельным камерам, потребляющим энергию. В качестве примера в табл. 9.12-9.15 приведен ориентировочный тепловой баланс протяжной (башенной) печи агрегата горячего цинкования. В данном балансе приняты следующие исходные данные: а) всего имеются четыре энергопотребляющих камеры: камера подогрева, в которой осуществляется подогрев полосы от 20 до 200 °С за 2,7 с продуктами горения из следующей камеры безокислительного нагрева, в которой полоса нагревается от 200 до 600 °С за 7,1 с продуктами неполного сгорания (n = 0,85). Далее металл попадает в камеру восстановительного нагрева, в которой нагревается от 600 до 850 °С за 34,2 с радиационными трубами в восстановительной атмосфере (15 % Н₂ и 85 % N₂). Последняя энергопотребляющая камера – камера выдержки, обогреваемая электрорадиационными трубами, в которой металл выдерживается при 850 °С в течение 18,4 с; б) ширина ленты 1 м, толщина – 0,7 мм; в) производительность печи 70 т/час; г) топливо – коксовый газ с теплотой сгорания 17 МДж/м³.

В данном примере удельный расход условного топлива составил (594 + 424 + 18) / 29,3 = 35 кг у.т./т металла. В целом расход топлива в камерах нагрева протяжных печей достигает 40‑45 кг у.т./т металла.

Таблица 9.12 – Ориентировочный тепловой баланс подогревательной камеры протяжной печи (на 1 кг нагретого металла)

Приход		%	Расход		%
1. Физическая теплота продуктов горения топлива из камеры безокислительного нагрева (t = 1050 °С)	228	67,3	1. Физическая теплота нагретого металла (t = 200 °С)	98	28,9
2. Химическая энергия топлива (продуктов неполного горения топлива из камеры безокислительного нагрева)	97	28,6	2. Физическая теплота продуктов горения топлива (t = 850 °С)	229	67,6
3. Физическая теплота металла (t = 20 °С)	10	2,9	3. Потери теплоты теплопроводностью через кладку	4	1,2
4. Физическая теплота воздуха для горения (t = 20 °С)	4	1,2	4. Прочие потери теплоты	8	2,4
Итого	339	100,0	Итого	339	100,0

Таблица 9.13 – Ориентировочный тепловой баланс камеры безокислительного нагрева протяжной печи (на 1 кг нагретого металла)

Приход		%	Расход		%
1. Химическая энергия топлива	594	84,6	1. Физическая теплота нагретого металла (t = 600 °С)	346	49,3
2. Физическая теплота металла (t = 200 °С)	98	14,0	2. Физическая теплота продуктов горения (t = 1050 °С)	228	32,5
3. Физическая теплота воздуха для горения (t = 20 °С)	8	1,1	3. Химическая энергия недожога топлива (n = 0,85)	97	13,8
4. Физическая теплота топлива (t = 20 °С)	2	0,3	4. Потери теплоты теплопроводностью через кладку	9	1,3
			5. Прочие потери теплоты	22	3,1
Итого	702	100,0	Итого	702	100,0

Таблица 9.14 – Ориентировочный тепловой баланс камеры восстановительного нагрева протяжной печи (на 1 кг нагретого металла)

Приход		%	Расход		%
1. Химическая энергия топлива	424	52,1	1. Физическая теплота нагретого металла (t = 850 °С)	591	72,7
2. Физическая теплота металла (t = 600 °С)	346	42,5	2. Физическая теплота продуктов горения (t = 800 °С)	182	22,4
3. Физическая теплота воздуха для горения (t = 280 °С)	42	5,2	3. Потери теплоты теплопроводностью через кладку	15	1,8
4. Физическая теплота топлива (t = 20 °С)	2	0,2	4. Потери теплоты через ролики	6	0,7
			5. Потери теплоты на нагрев восстановительной атмосферы	1	0,1
			6. Прочие потери теплоты	19	2,3
Итого	814	100,0	Итого	814	100,0

Таблица 9.15 – Ориентировочный тепловой баланс камеры выдержки протяжной печи (на 1 кг нагретого металла)

Приход		%	Расход		%
1. Физическая теплота металла (t = 850 °С)	591	97,0	1. Физическая теплота нагретого металла (t = 850 °С)	591	97,0
2. Джоулева теплота электрорадиационных труб	18	3,0	2. Потери теплоты теплопроводностью через кладку	11	1,8
			3. Потери теплоты через ролики	4	0,7
			4. Потери теплоты на нагрев восстановительной атмосферы	1	0,2
			5. Прочие потери теплоты	2	0,3
Итого	609	100,0	Итого	609	100,0

Для снижения расхода топлива в нагревательных камерах протяжных печей можно рекомендовать следующее:

1. увеличение поверхности теплообмена радиационных труб и переход на многооборотные (многоветьевые) трубы;

2. установку рекуператоров после дымососа для подогрева воздуха дымом;

3. повышение конвективной составляющей теплообмена за счёт создания интенсивного принудительного движения защитной атмосферы;

4. совмещение радиационного и контактного нагрева или замену радиационного нагрева контактным нагревом. При контактном нагреве используются подогреваемые ролики.