1 Общаяхарактеристика нагревательных печей
Нагревательными печамиобычно называют печи, в которых осуществляется нагрев металла перед обработкойдавлением (прокаткой, ковкой). Часто прокатку металла ведут последовательно нанескольких станах, что определяет и состав парка печей.
Производительность вновьстроящихся прокатных станов непрерывно увеличивается. Поэтому общей тенденциейв развитии печей является интенсификация нагрева металла, что позволяетувеличить производительность печного агрегата.
Наиболее распространённымявляется нагрев прямоугольных заготовок для чего применяют печи периодического(садочные) и постоянного (проходные) действия. В печах периодического действияметалл загружается в полностью или частично остуженную печь, и затем постепеннонагревается вместе с печью. Такой метод нагрева, когда температура печи меняетсяво времени, применяют при нагреве крупных слитков, которые надо греть медленново избежание возникновения чрезмерного температурного перепада. В чёрнойметаллургии на периодическом режиме работают нагревательные колодцы-печи, вкоторых слиток, стоящий вертикально, нагревается с четырёх сторон. Посколькуразмеры слитков значительные (толщина обычно около 600 мм, масса около 7 т), подобный нагрев с четырёх сторон обеспечивает необходимую равномерность ипроизводительность.
В печах постоянногодействия температура во времени остаётся неизменной. Вместе с тем температурапо длине рабочего пространства таких печей может изменяться в соответствии снеобходимостью создания целесообразного режима нагрева. Проходные печипостоянного действия – это наиболее распространённые нагревательные печи вчёрной металлургии. Они очень многообразны как по способу транспортировкизаготовки через печь, так и по методам отопления. Это толкательные печи, печи сшагающим и роликовым подом; с торцевым, сводовым, боковым отоплением. В такихпечах может осуществляться как постепенный (методический) режим нагрева, так ивесьма форсированный камерный режим.
Наряду с тепловым итемпературным режимом для работы печей большое значение имеет режим давления впечи. Идеальным был бы такой режим давления в печи, при котором холодный воздухне попадал бы в печь, а дымовые газы не выбивались бы из печи. Если холодныйвоздух попадает в печь, то это приводит к излишнему расходу тепла и увеличиваетугар металла. Чрезмерное выбивание дымовых газов приводит к увеличению потерьтепла, пагубно влияет на арматуру печи и затрудняет её обслуживание. Дляобеспечения оптимального режима давления в нагревательных колодцах стремятсяпод крышкой поддерживать небольшое избыточное давление. В проходных печах науровне нагреваемых заготовок также целесообразно поддерживать небольшоеизбыточное давление, исключающее подсос воздуха в печь и большое выбиваниедымовых газов. Однако полностью выдерживать такое давление по всей длине печине удаётся.
2 Печи длянагрева слитков (нагревательные колодцы)
Слитки металла,полученные в мартеновском, конвертерном или электросталеплавильном цехах, передпрокаткой на обжимном стане подвергают дополнительному нагреву. Обычно толщинаих не менее 400 мм, поэтому для ускорения и повышения качества нагревацелесообразно греть их с четырёх сторон, располагая вертикально. Подобныйнагрев достигается применением нагревательных колодцев, которые по сравнению спечами других типов с точки зрения условий нагрева крупных слитков отличаютсяследующими особенностями:
- вертикальнымрасположением слитков, обеспечивающим ускоренный и равномерный нагрев металла,а также исключающим возможность смещения усадочной раковины;
- удобством транспортирования,загрузки и выгрузки металла при вертикальном положении слитков;
К нагревательным колодцампредъявляют определённые требования:
- достаточнобыстрый нагрев металла, обеспечивающий высокую производительность (общую иудельную);
- качественный нагревметалла: равномерность нагрева по высоте и сечению слитков без местныхоплавлений;
- эффективнаяработа воздухо- и газоподогревателей, обеспечение невысокого удельного расходатоплива;
- возможностьнадёжного автоматического регулирования теплового режима;
- высокиеэксплуатационные качества (удобство удаления шлака, полное сжигание топлива впределах рабочего пространства, достаточная герметизация рабочего пространстваи теплообменных устройств, достаточная стойкость крышек и других элементовнагревательных колодцев);
- наиболее простаяконструкция и невысокие капитальные затраты на строительство.
Каждый нагревательныйколодец в отдельности называется ячейкой. Несколько ячеек составляют группу.Для группы ячеек предусмотрены одна дымовая труба и общее помещение дляконтрольно-измерительных приборов. Производительность нагревательных колодцевобычно исчисляют на группу в год. Зная производительность стана ипроизводительность одной группы, можно найти необходимое число группнагревательных колодцев.
2.1 Тепловойи температурный режимы
Современныенагревательные колодцы являются камерными печами периодического действия спеременным во времени тепловым и температурным режимом. В большинственагревательных колодцев нагрев металла осуществляется садками, т.е. послевыдачи всех нагреваемых слитков ячейки колодцев вновь загружают слитками. Привыдаче и посадке слитков в результате частого открывания крышки кладка рабочегопространства нагревательных колодцев охлаждается. Поэтому при работе колодцевна горячем посаде в первый момент нагрева температура слитков выше температурыповерхности кладки и основной потребитель тепла в этот период – кладка колодца.
Расход тепла поддерживаютмаксимальным до тех пор, пока температура той части слитка, которая нагреваетсябыстрее, не достигнет предельного значения. Этот период называется периодомнагрева. Вслед за ним наступает период выдержки, в течение которого происходитпостепенное уменьшение расхода тепла, так как в течение этого временитемпература поверхности слитков остаётся постоянной и тепло расходуется толькона прогрев слитка по сечению. В этот период температура отходящих продуктовсгорания остаётся приблизительно постоянной.
Тепловую мощностьнагревательных колодцев выбирают так, чтобы обеспечить быстрый подъёмтемпературы кладки и поверхности слитков в начале нагрева. При заниженноймощности период нагрева затянется, а период выдержки сократится, и полный циклнагрева будет нерационально большим. При завышенном максимальном расходетоплива период нагрева сократится, но увеличится неравномерность температуры посечению слитка и период выдержки затянется. Это также вызовет чрезмерноеувеличение длительности полного цикла нагрева.
На работу нагревательныхколодцев очень большое влияние оказывает начальная температура слитков. Обычнонагревательные колодцы работают в подавляющей степени на горячем посаде, т.е. вячейку для нагрева до температуры прокатки (около 1200 ºС) помещают ещё неполностью остывшие после разливки слитки, температура которых 700 – 850 ºС.Чем выше процент горячего посада и начальная температура слитков, тем большепроизводительность нагревательных колодцев и тем ниже удельный расход тепла нанагрев металла. Процент горячего посада и начальная температура слитков зависятот уровня организации производства на данном предприятии. На тех заводах, гдекультура производства достаточно высока, горячий посад достигает 95 %, аначальная температура слитков перед нагревом 800 – 850 ºС.
Оптимальное значениетепловой мощности (по химическому теплу топлива) лежит в пределах 200 – 300МДж/т садки. Рабочая температура в нагревательных колодцах составляет 1350 –1400 ºС. Для обеспечения такой рабочей температуры нужно сжигать топливотак, чтобы калориметрическая температура горения достигала 2100 – 2200 ºС.
1. Шлакоудаление. Впроцессе нагрева металла происходит его окисление. Образовавшаяся окалинастекает по граням слитков на подину колодцев и должна быть оттуда удалена.Существуют два метода удаления окалины: сухое шлакоудаление и жидкое.
При сухом шлакоудалениина подину колодца насыпается мелкий коксик, который впитывает окалину и через 5– 6 всадов вместе с ней удаляется через специальные лючки. Затем сверху приоткрытой крышке засыпается и разравнивается новая порция коксика.
Вслед за этим металлнагревают вновь.
При жидком шлакоудалениикоксик на поду отсутствует; подину выполняют из огнеупорных материалов, невзаимодействующих с окалиной (обычно хромомагнезит); окалина в жидком состоянииудаляется с пода ячейки через специальную летку.
Каждому из этих методовприсущи область применения, свои недостатки и преимущества.
Недостатки сухогошлакоудаления:
- непроизводительныезатраты времени на засыпку и удаление коксика;
- замедленныйпрогрев и науглераживание донной части слитка, несколько утопленной в коксик;
- необходимостьиметь в цехе хранилище для кокса и плохое санитарное состояние цеха (призасыпке коксика поднимается туча пыли);
- крайнеотрицательное влияние коксовой пыли на керамику регенераторов и рекуператоров.
Однако сухоешлакоудаление – это единственный метод удаления окалины в таких конструкциях,где невозможно обеспечить жидкотекучесть окалины на поду ячейки. Этимобстоятельством и определяется область применения метода сухого шлакоудаления.
Жидкое шлакоудалениепозволяет устранить недостатки, свойственные сухому шлакоудалению; но и онотакже не лишено недостатка, заключающегося в том, что при жидком шлакоудалениинеравномерно изнашивается подина колодца, и слитки теряют устойчивость.
2. Футеровка и её служба.В нагревательных колодцах наиболее уязвимы следующие части огнеупорнойфутеровки:
- подина и нижняячасть стен, поскольку они интенсивно соприкасаются с окалиной и слитками;
- те поясафутеровки стен, на которые опираются слитки;
- футеровка крышки,так как она подвержена действию наиболее высоких температур, колебаниютемператур и механическому воздействию в связи с частым открыванием изакрыванием крышки;
- керамикарегенераторов и рекуператоров (особенно верхние ряды), которая работает втяжёлых условиях высоких температур, резкой смены температуры, воздействиягазовых потоков, несущих окалину и пыль.
Подину колодцеввыкладывают обычно в три слоя: 1) внутренний из хромомагнезитового кирпича; 2)шамотный кирпич; 3) внешний теплоизоляционный слой из диатомитового кирпича.При сухом шлакоудалении уровень подины по всей площади колодцев одинаков, прижидком подину выкладывают с уклоном в сторону шлаковой летки.
Стены колодцев такжевыполняют трёхслойными. Внешний слой – теплоизоляционный, затем слой шамотногокирпича. Внутренний слой в нижней части стен (приблизительно на 1 м высоты) выполняют из хромомагнезита, остальное из динаса. Интенсивнее всего стены изнашиваются натом уровне, где опираются слитки. В связи с этим в этом месте выполняют выступкладки внутрь колодца. Эти выступы выкладывают из динаса, хромомагнезита,каолинового кирпича. Стойкость выступов из динаса наименьшая.
В настоящее времяприменяют крышки как с арочной футеровкой, так и с подвесным сводом. И в том, ив другом случае можно применять шамотный кирпич. В последнее время дляфутеровки крышек всё шире используют каолиновый кирпич. Каолиновый кирпич вфутеровке крышек значительно более стоек, поскольку обладает большойогнеупорностью и меньшей дополнительной усадкой.
Керамическиерекуператоры, применяемые в нагревательных колодцах, выполняют из восьмигранныхтрубок. Обычно монтируют 6 – 8 рядов труб, из них два верхних и нижний ряды изкарбо-шамотных трубок, остальное – из шамотных.
В рекуператорах насадкуследует сменять раз за 1,2 – 2 года.
Смена футеровки крышекосуществляется через 7 – 9 месяцев. В отдельных случаях, чаще всего врегенеративных колодцах, быстро сгорает металлическая рама крышек.
2.2 Конструкцияколодцев
Нагревательные колодцыбывают с регенеративным и с рекуперативным подогревом воздуха. Регенеративныеколодцы – это устарелые конструкции, которые нигде уже не строятся.
Колодцы с отоплением изцентра пода. Такие колодцы (рисунок 123) применяют для нагрева слитков передпрокаткой на блюминге производительностью около 2,5 млн. т/год. Они достаточнонадёжны в эксплуатации, отапливают их смешанным коксо-доменным газом с теплотойсгорания 5800 – 8400 кДж/м³ при помощи горелок, расположенных в центрепода. Группа состоит из двух ячеек. В каждую ячейку помещается по 12 – 16слитков квадратного сечения.
Колодцы оборудованыкерамическими рекуператорами из восьмигранных карбо-шамотных трубок дляподогрева воздуха до 800 – 850 ºС. Воздух, пройдя через рекуператоры,поступает к горелке с двух сторон по сборным каналам. Газ подаётся в горелку поспециальной трубе снизу вверх, поэтому факел тоже направлен снизу вверх.Продукты сгорания удаляются из рабочего пространства через специальные окна и,пройдя через рекуператор, уходят в дымовую трубу. Рекуперативные колодцы сотоплением из центра пода в настоящее время работают на 90 – 95 % горячегопосада, обеспечивая при этом производительность одной группы около 220 – 270тыс. т/год. Удельный расход тепла на нагрев металла составляет 1100 – 1200кДж/кг. Процесс нагрева металла в этих колодцах можно автоматизировать.Импульсную точку выбирают на одной из боковых стен в зоне наиболее высокихтемператур, т.е. несколько выше верхней кромки слитка. Тепловая мощностьколодцев с отоплением из центра пода составляет обычно 21,0 – 29,0 ГДж/ч.
Качество металла врекуперативных колодцах с отоплением из центра пода недостаточно. Вследствиевертикального расположения факела зона наибольших температур создаётся вверхней части рабочего пространства, что приводит к перегреву верхней частислитка при недостаточном нагреве его основания. Перепад температур по высотерабочего пространства достигает 100 ºС и более, что вызываетнеравномерность нагрева слитка. Однако положительным является то, что всеслитки, входящие в садку, греются почти одинаково.
Общая площадь рекуператоранагревательных колодцев составляет около 400 м². В рекуператоре шесть рядов труб. Два нижних и два верхних ряда – из карбошамотных трубок, средние ряда – изшамотных.
Рекуператоры работают притемпературе дымовых газов на входе 1200 – 1250 ºС; скорости воздуха 1,5дымовых газов 0,7 – 1,0 м/с.
Воздух в рекуператорпоступает обычно под давлением, в результате чего между воздушной и дымовойсторонами рекуператора возникает значительный перепад давлений (до 200 Па), в результатечего создаётся возможность для утечки воздуха в дымовые каналы. Утечка иногдадостигает 40 – 50 % всего воздуха, поданного в рекуператор. Низкаягерметичность рекуператоров сильно влияет на работу колодцев, так как врезультате утечек количество воздуха, достигшего горелки, становитсянедостаточным и неопределённым. При недостатки воздуха топливо не сгораетполностью в пределах рабочего пространства и поэтому становится возможным егодожигание в рекуператоре, что вызывает разрушение рекуператора и дальнейшееувеличение утечек.
При уменьшении количествавоздуха, попадающего в ячейку, приходится сокращать количество подаваемоготоплива, т.е. снижать тепловую нагрузку, а это в свою очередь приводит кснижению производительности.
Ненадёжная (в смысле герметичности)работа рекуператоров наряду с высокой стоимостью сооружения является, пожалуй,самым большим недостатком этих нагревательных колодцев.
Колодцы с отоплением изцентра пода работают в основном на жидком шлакоудалении, которое позволяетувеличить производительность ячейки и сократить расход топлива. Однако прижидком шлакоудалении резко возрастает число ремонтов, а следовательно, иудельный расход огнеупоров. Колодцы при жидком шлакоудалении работают болеефорсированно, что увеличивает толщину окалины и возможность оплавления слитков.
Колодцы с верхнимотоплением. В последние годы строят колодцы с одной верхней горелкой, чтообъясняется увеличением производительности строящихся блюмингов до 6 млн. т/годи более. Повышением производительности блюмингов обусловлены новые требования,предъявляемые к нагревательным колодцам, которые в определённой меререализуются применением колодцев с одной верхней горелкой. Конструкция колодцевпредставлена на рисунке 124. Колодец вытянутой формы шириной 2,2 – 2,5 м. В ячейку помещают в два ряда 14 слитков массой по 7–8 т. Каждая группа колодцев включает чащевсего 2 или 4 ячейки. Тепловую нагрузку в этих колодцах поддерживают около 38 –42 ГВт; удельный расход тепла составляет 1300 – 1350 кДж/кг. Поскольку на подуподобных колодцев температура относительно низкая, применяют сухоешлакоудаление.
Производительностьколодцев подобного типа на группу из двух ячеек несколько меньше (200 – 220тыс. т/год), чем колодцев с отоплением из центра пода. Это объясняетсяособенностями их тепловой работы.
Колодец отапливаютгазообразным топливом при различной степени подогрева воздуха. Выходныескорости в горелке должны быть подобраны так, чтобы кинетической энергии струйбыло достаточно для проталкивания газов от горелки до дымоотборного окна попетлеобразной траектории. Плохое смешение топлива и воздуха приводит к тому,что наибольшая температура развивается около стены, противоположной горелке; наэтой стене и выбирают импульсную точку для автоматизации теплового режима.Причём, раньше других нагреваются слитки, находящиеся около этой стены.
Когда температура вимпульсной точке достигает заданного значения, то во избежание её дальнейшегоповышения расход топлива снижается, и кинетическая энергия струй топлива ивоздуха уменьшается. Это приводит к тому, что газы уже не достигаютпротивоположной стенки и двигаются по прогрессивно укорачивающейся петле.
Таким образом, процесснагревания садки протекает неравномерно, затягивается, поэтомупроизводительность группы, состоящей из двух ячеек таких колодцев, меньшепроизводительности колодцев с отоплением из центра пода. Однако, колодцы содной верхней горелкой более компактны и при одной и той же общей длинеотделения нагревательных колодцев их можно установить несколько больше, чемколодцев с отоплением из центра пода.
На нагревательныхколодцах с одной верхней горелкой применяются керамические воздушныерекуператоры, при использовании которых возможны два способа подачи воздуха:при первом, для подвода воздуха от рекуператора к горелке применяют эксгаустериз жароупорного материала. Воздух просасывается через рекуператор, ивозможность утечки практически устраняется. Однако, в этом случае температураподогрева воздуха ограничивается 400 – 450 ºС, так как при более высокойтемпературе существующие эксгаустеры работать не могут.
Второй способпредусматривает подачу воздуха из рекуператора к горелке при помощи инжектора.Инжектирующей средой служит воздух высокого давления (20 – 40 кПа), количествокоторого составляет 25 – 30 % общего расхода и который подогревается вметаллическом трубчатом рекуператоре до 250 – 350 ºС. В этом случаетемпература воздуха перед горелкой составляет 650 – 700 ºС. Если дляинжектирования применять компрессорный воздух (5 – 7 % общего расхода), тотемпература воздуха перед горелкой составит 700 – 800 ºС.
Сравнение различныхнагревательных колодцев по эксплуатационным показателям приведено в таблице 19.
Таблица 19 — Показателиработы рекуперативных нагревательных колодцев Параметр С центральной горелкой С одной верхней горелкой Средняя производительность одной группы, тыс. т/год 230 340 Число оборотов колодцев в год 1360 870 Удельный расход топлива, кДж/кг 1150 1320 Простои колодцев на ремонтах, % к календарному времени 3,77 3,98 Удельный расход огнеупоров на 1 т, кг/т 1,85 1,27
Колодцы с двумя верхнимигорелками (рисунок 151) отапливают смесью коксового и доменного газов. Горелкирасположены в верхней части рабочего пространства в шахматном порядке. Обычноприменяют горелки типа «труба в трубе» или простейшие турбулентные. Горелкадолжна быть рассчитана так, чтобы количество кинетической энергии струй,создаваемых горелкой, было достаточным для проталкивания продуктов сгорания попетлеобразной траектории – от горелки да дымоотводящих каналов.
Колодцы оборудованыкерамическими рекуператорами из восьмигранных карбошамотных трубок, аналогичныхтем, которые применяют на нагревательных колодцах с отоплением из центраподины. Поперечные размеры нагревательных колодцев с двумя верхними горелкамиблизки к размерам колодцев с отоплением из центра пода, но глубина их больше(4,2 – 4,4 м). Отсутствие горелки в центре пода позволяет увеличить садкуметалла, однако прироста производительности это не даёт, так как увеличениесадки приводит к увеличению времени нагрева металла.
Следует отметить, чтоколодцы с двумя верхними горелками по основным показателям –производительности, качеству нагрева, расходу топлива, тепловой нагрузке –схожи с колодцами, отапливаемыми из центра пода. Применение жидкогошлакоудаления на колодцах с двумя верхними горелками весьма затруднено тем, чтонаибольшая температура достигается в верхней части ячейки, внизу температуразначительно меньше и сварочный шлак не жидкотекуч.
Определение количестваи планировка пролёта нагревательных колодцев. Время нагрева слитков является главным фактором, откоторого зависит производительность нагревательных печей. В нагревательныхколодцах при нагреве холодных слитков применяют трёхступенчатый режим нагрева, состоящийиз периодов предварительного нагрева, ускоренного нагрева и выдержки. В течениипериода предварительного нагрева скорость повышения температуры металлаподдерживается таким образом, чтобы в нём не возникли чрезмерные температурныенапряжения. После достижения 500 – 550 ºС, когда металл уже приобретаетнеобходимые пластические свойства начинается период ускоренного нагрева,который заканчивается после того, как поверхность слитков достигнет конечнойтемпературы нагрева. В течение последующей выдержки практически при постояннойтемпературе поверхности происходит выравнивание температуры по сечению слитка.
Необходимо отметить, чтоувеличение садки металла обычно приводит к увеличению времени нагрева металла,поэтому существует оптимальная садка, при которой обеспечивается наивысшаяпроизводительность колодцев.
Потребное число группнагревательных колодцев можно определить, если известны следующие величины:
τп – время посадкислитков, ч;
τн – время нагреваслитков, ч;
τв – время выдержкислитков, ч;
τш – время уборкишлака, ч;
n – число ячеек в одной группе, шт.;
G – масса садки одной ячейки, т;
m – коэффициент, учитывающий простоиколодцев на ремонт. Обычно простои колодцев составляют около 15 %, поэтомувеличину коэффициента mпринимают равной 0,85.
Средняяпроизводительность одной группы колодцев Р, т/ч, при нагреве одинаковыхслитков, таким образом, будет равна
/>
Если в нагревательныхколодцах нагревают слитки различной массы, марок стали и температуры посада, тоих среднюю производительность можно определить по формуле
/>
где a,b,c,…,n – доля слитков данной массы, маркистали и температуры посада в программе нагревательных колодцев;
P1, Р2, Р3,…, Рn – производительность группы колодцевпри нагреве слитков одного типа, подсчитанная по формуле.
Зная часовуюпроизводительность обжимного стана и среднюю часовую производительность группыколодцев, легко определить необходимое число группы колодцев.
Планировка пролётовнагревательных колодцев. При увеличении годовой производительности обжимныхстанов, которая составляет 4 – 5 млн. т/год часовая производительность будетизмеряться величиной 600 т/ч, а прокатка одного слитка будет занимать около 50с. При таком темпе прокатки все операции по подаче слитка к стану должнывыполнятся за отрезок времени, не превышающий 50 с. К этим операциям относятсяследующие: захват слитка краном, перенос слитка к слитковозу и установка на нёмслитка, разгон и пробег слитковоза, а также торможение слитковоза передприёмным рольгангом и перегрузка на него слитка.
Наиболее распространённаясхема планировки с продольным расположением нагревательных колодцев (рисунок153). Причём применяют один или два слитковоза (рисунок 153, а). При такойсхеме время пробега слитковоза составляет важную часть общего времени,затрачиваемого на подачу одного слитка. Для уменьшения этого времени приприблизительно постоянной скорости движения слитковоза около 7 м/сцелесообразно применять такие нагревательные колодцы, которые обеспечиваютнаибольшую производительность на 1 м длины пролёта. Такими конструкциямиявляются колодцы с одной верхней горелкой.
Однако применение такойсхемы планировки вследствие длительного пути пробега слитковоза не позволяетобеспечить слитками обжимные станы производительностью более 3 млн. т/год. Длявысокопроизводительных станов разработана схема продольного расположенияотделения нагревательных колодцев с несколькими слитковозами, движущимися покольцевому пути (рисунок 153, б). Эта схема может обеспечить любой циклпрокатки. Поскольку путь слитковоза кольцевой, то для подобной схемы планировкипроизводительность нагревательных колодцев в расчёте на 1 м длины пролёта решающего значения уже иметь не будет. Выбор конструкции колодцев определяетсякачеством нагрева металла и экономическими соображениями.
Регенеративныеколодцы. Колодецснабжён двумя парами регенераторов, причём ближайший к рабочему пространствурегенератор обязательно газовый. Газ и воздух подогревают примерно до 800ºС. Колодец работает реверсивно. Сначала топливо и воздух поступают содной стороны и, нагреваясь в регенераторах, попадают в рабочее пространство.Образовавшиеся дымовые газы проходят через другую пару регенераторов и отдаютсвоё тепло огнеупорной насадке. Затем происходит перекидка клапанов, и весьцикл повторяется в обратном направлении. Металл нагревается до 1200 – 1250ºС, температура в рабочем объёме колодца составляет 1350 – 1400 ºС.
Общая тепловая мощностьподобных колодцев составляет 20,95 – 23,045 ГДж/ч, причём на долю горениятоплива приходится около 65 %, на долю тепла подогрева воздуха и газа –примерно 35 %. Нагревательные колодцы подобного типа могут работать на чистомдоменном газе и на смеси коксового и доменного газов.
В регенеративныхнагревательных колодцах в каждой группе по четыре ячейки. Большинствонагревательных колодцев работают на слитках горячего посада. При этомтемпература горячего посада обычно составляет около 750 ºС, но иногдадостигает и 850 – 870 ºС. Удельная доля слитков горячего посада поотношению к массе всех слитков достигает 95 %.
Производительность группырегенеративных колодцев рассматриваемой конструкции при 95 % горячего посада стемпературой около 780 ºС составляет 300 тыс. т/год, а удельный расходтепла 1131,3 кДж/кг.
В регенеративных колодцахгорение топлива развивается в нижней части колодца, поэтому температура околоподины достаточно высокая, и надёжно осуществляется жидкое шлакоудаление.
В нагревательных колодцахрегенеративного типа крайне несовершенна система сжигания топлива, что влечётза собой существенные недостатки. Горение топлива практически начинается надгазовыми регенеративными насадками, через которые подаётся топливо, протекает врабочем пространстве и заканчивается в противоположных насадках. Это приводит кнеравномерности нагрева садки металла, так как слитки, расположенные ближе крегенераторам, нагреваются значительно быстрее, чем слитки в средней частирабочего пространства. Второй существенный недостаток вызван тем, что дляавтоматизации теплового процесса печи всегда необходимо правильно выбрать врабочем пространстве такую точку, по изменению температуры которой можностроить процесс автоматизации. В регенеративных колодцах надёжно выбрать такуюточку невозможно, поскольку в результате перекидки клапанов и плохого смешениягаза и воздуха температура может всё время изменяться по всей длине рабочегообъёма колодца, причём возможны и случайные колебания температур.
Печи с выдвижнымподом. Иногда длянагрева слитков применяют печи с выдвижным подом (рисунок 154). Металл вподобной печи может нагреваться до 1100 – 1300 ºС или догреваться от 600до 1300 ºС. В качестве топлива применяют мазут, генераторный иликоксодоменный газ. Печь оборудована регенераторами для подогрева воздуха до 600– 800 ºС. Объём регенеративной насадки на 1 м² площади пода составляет 0,75 – 1,0 м³.
Для сжигания газаприменяют горелки низкого давления, расположенные в два ряда на продольныхстенах печи в шахматном порядке. Масса садки колеблется от 120 до 200 т.Удельный расход тепла при нагреве металла от 0 до 1200 ºС составляет 4600– 5030 кДж/кг, а при догреве от 600 до 1100 ºС он равен 2300 – 3000кДж/кг.
В подобных печахзначительное количество тепла расходуется на нагрев кладки, поэтому пусковаятепловая мощность печи должна составлять 670 – 1173 ГВт на 1 м² площади пода печи.
Выкатная подина печиперемещается на специальных катках, соединённых в две обоймы. Поскольку подинаперемещается по каткам быстрее, чем сами катки, длина обоймы должна быть в 1,5раза больше длины подины.
Печи для нагреваблюмов и слябов. Блюмыи слябы перед дальнейшей прокаткой на рельсобалочных, сортовых, листовых идругих станах нагревают до температуры прокатки почти исключительно внагревательных проходных печах различного типа. Наряду с тепловым итемпературным режимом определяющее значение для работы этих печей имеет методтранспортирования металла через печь. Толкательные противоточные печи длянагрева прямоугольной заготовки получили широкое распространение. В таких печахлежащие на поду и соприкасающиеся друг с другом заготовки задаются иперемещаются в печи при помощи специального механизма-толкателя. Выдача металлаиз печи может быть торцевой и боковой. При торцевой выдаче функциивыталкивателя выполняет толкатель: задавая очередную заготовку в печь, онперемещает все заготовки и выталкивает ближайшую к окну выдачи заготовку. Прибоковой выдачи применяют специальный выталкиватель. Преимуществом толкательныхпечей является то, что проталкивание – наиболее простой и дешёвый методтранспортирования металла через печь. Основные недостатки данного методазаключаются в следующем:
- при перемещениизаготовки трутся друг о друга и о подину, что ухудшает качество поверхностиметалла;
- при движениизаготовок образовавшаяся окалина осыпается и создаётся возможностьдополнительного окисления;
- осыпающаясяокалина попадает на под печи, реагирует с материалом пода, в результате чего наподине образуются бугры, препятствующие нормальному проталкиванию металла, ивозникает проблема удаления окалины;
- печь не можетбыть без специальных мер освобождена от металла в случае остановки стана,ремонтов или с целью проведения работы по удалению окалины;
- современные печиделаю весьма широкими (до и более 12 м), что крайне затрудняет операциюудаления окалины;
- в толкательныхпечах без выгорбливания возможно проталкивание не более 200 – 250 квадратныхзаготовок, что ограничивает размеры и производительность печей.
Печи с роликовым подомпредставляют собой весьма совершенную и перспективную конструкцию проходныхпечей с механизированным подом. Они удачно компонуются в линиях поточногопроизводства, поскольку роликовый под может быть продолжением цеховогорольганга. Печи с роликовым подом широко применяются при термической обработкеметалла. Использование таких печей для высокотемпературного нагрева передпрокаткой несколько сдерживается недостаточной стойкостью роликов и большимипотерями тепла с охлаждающей водой.
Печи с шагающим подом илибалками также весьма перспективны. Они свободны от недостатков, присущихтолкательным печам. В них нагрев металла происходит с трёх сторон. Кроме того,в печах с шагающим подом легко менять режим нагрева, что является большимпреимуществом в случае частой смены сортамента нагреваемого металла.
Наиболее ответственнойчастью футеровки проходных нагревательных печей являются участки монолитногопода, футеровка элементов шагающего пода, т.е. все элементы футеровки,подвергающиеся воздействию окалины при достаточно высокой температуре (1200 –1250 ºС), при которой окалина может активно взаимодействовать согнеупорными материалами. В силу этого верхние слои таких участков футеровкипечи обычно выполняют из хромомагнезита, магнезитохромита и талькового кирпича– материалов, не взаимодействующих с окалиной. Подину обычно выполняюттрёхслойной: из хромомагнезита (или другого окалиностойкого материала); шамотакласса Б; диатомитового кирпича.
Своды печей выполняютарочными и подвесными. В качестве огнеупорного материала чаще всего используютшамот класса А и каолиновый кирпич. Стены печей выкладывают внизкотемпературных зонах двухслойными (шамот класса Б и диатомит), ввысокотемпературных зонах трёхслойными (шамот класса А или каолин, шамот классаБ, диатомит).
Тепловой режим иотопление печей. Тепловой и температурный режимы проходных нагревательных печейнеизменны во времени. Однако температура по длине печи может быть неизменна, номожет и значительно меняться.
Чем выше температура впечи, в которую попадает холодный металл, тем быстрее растёт температураповерхности металла. Если нагревается тело, массивное в тепловом отношении, торезкое повышение температуры поверхности может вызвать возникновениечрезмерного температурного перепада. Поэтому массивный металл нагреваютсравнительно медленно, постепенно, до тех пор, пока он не приобретётнеобходимых пластических свойств, т.е. до 500 ºС. Этим и вызваноиспользование методического температурного режима работы печей. Для нагреваметалла, который по своим размерам и свойствам ближе к тонкому телу, чем кмассивному (например, слябы), созданы печи, работающие по режиму, занимающемупромежуточное положение между камерным и методическим. Чтобы обеспечить общийподъём температурного уровня, в печи выполняют две сварочные зоны, в каждой изкоторых происходит сжигание топлива. При нагреве металла тонкого в тепловомотношении используют камерный режим, при котором поддерживается практическиодинаковая температура по всему рабочему пространству. Обеспечение того илииного температурного режима работы печей достигается выбором метода отопления исоответствующего расположения горелочных устройств и дымоотводящих каналов.
Для обеспечения камерногорежима необходимо горелки (форсунки) и дымоотборные каналы равномернораспределить по длине рабочего пространства.
Существует торцевое и сводовоеотопление печей. При торцевом отоплении характер изменения температуры по длинепечи определяет число и назначение её зон. Металл поступает в зону наиболеенизких температур и, продвигаясь на встречу дымовым газам, температура которыхвсё повышается, постепенно нагревается. Методические печи по числу зон нагреваметалла могут быть двух-, трёх- и многозонными с односторонним и двустороннимнагревом металла. Рассмотрим назначение зон на примере трёхзонной печи.
Методическая зона –первая (по ходу металла), с изменяющейся по длине температурой. В этой зонеметалл постепенно подогревается до поступления в зону высоких температур(сварочную). Во избежание возникновения чрезмерных термических напряжений частонеобходим медленный нагрев металла в интервале температур от 0 до 500 ºС.Вместе с тем методическая зона представляет собой противоточный теплообменник.Находящиеся в состоянии теплообмена дымовые газы и металл двигаются навстречудруг другу.
Металл нагреваетсядымовыми газами, т.е. утилизирует тепло дымовых газов, отходящих из зонывысоких температур. Общее падение температуры дымовых газов в методической зоневесьма значительно. Обычно в зоне высоких температур методических печейтемпература газов держится на уровне 1300 – 1400 ºС, в конце же методическойзоны она находится в пределах 850 – 1100 ºС. Методическая зона значительноувеличивает коэффициент использования тепла, который достигает 40 – 45 %, тогдакак в камерных печах он составляет 18 – 20 %.
Зона высоких температурили сварочная – вторая по ходу металла. В этой зоне осуществляется быстрыйнагрев поверхности заготовки до конечной температуры. Температура нагреваметалла в методических печах обычно составляет 1150 – 1250 ºС. Дляинтенсивного нагрева поверхности металла до этих температур в сварочной зоненеобходимо обеспечивать температуру на 150 – 250 ºС выше, т.е. температурагазов в сварочной зоне должна быть 1300 – 1400 ºС.
Томильная зона (зонавыдержки) – третья по ходу металла. Она служит для выравнивания температур посечению металла. В сварочной зоне до высоких температур нагревается толькоповерхность металла. В результате создаётся большой перепад температур посечению металла, недопустимый по технологическим требованиям. Температуру втомильной зоне поддерживают всего на 30 – 50 ºС выше необходимойтемпературы нагрева металла.
Подобный трёхступенчатыйрежим нагрева необходим в тех случаях, когда нагревают заготовки, в которыхможет возникнуть значительный перепад температур по толщине (более 200 ºСна 1 м толщины металла). Такие печи (с тремя зонами) называют трёхзоннымиметодическими печами.
3Определение размеров печей
Размеры рабочегопространства определяют, исходя из производительности, размера и временинагрева заготовки. Если Р – заданная производительность печи, а τ – времянагрева (ч), то для обеспечения этой производительности в печи в процессенагрева должна постоянно находиться садка металла, равна G = Pτ.
Зная размеры нагреваемойзаготовки (a – ширина, м; b – толщина, м; l – длина, м), можно определить массу g одной заготовки и число заготовок,постоянно находящихся в печи n = G/g.
Обычно при n
Для двухрядной печи L = a·n/2.
Если n/2 > 200, то печь выполняюттрёхрядной и т.д.
Ширину печи определяютсуммированием длины заготовки и необходимых зазоров между заготовкой и стенамипечи или между двумя заготовками. Эти зазоры обычно равны примерно 0,25 м, поэтому ширина однорядной печи будет равна B = l + 2·0.25 м; двухрядной B = 2l + 3·0,25 м и т.д.
Длину печи с шагающимподом следует определять с учётом зазоров между заготовками. Обычно расстояниемежду гранями соседних заготовок составляет 0,5 – 0,7 их толщины.
Поэтому длина печи в этомслучае составит
L = an + (0,5 – 0,7)b(n + 1).
Высоту свода печей h чаще всего определяют, исходя изопыта хорошо работающих печей. Так, для трёхзонных и многозонных толкательныхпечей и с шагающим подом расстояние от высшей точки свода до уровня подасоставляет, м:
Начало печи (место посадаметалла)………………..1,2 – 1,5
Высота сварочных зон:
Верхних….…………………………………………….2,2– 2,6
Нижних….……………………………………………..2,4– 3,0
Высота томильнойзоны……………………………...1,5 – 1,7
Часто при достаточномконструктивном опыте и наличии информации о хорошо работающих печах размерплощади пода печей определяют не через время нагрева, а используя величинунапряжённости активного пода На.
В этом случае
Fа = Р/На,
а длина печи La = Fa/B, где В – ширинапечи.
4 Печи длятермической обработки сортового проката.
4.1 Режимытермической обработки.
Наиболее распространённымвидом термической обработки сортового проката является отжиг с целью проведенияполной фазовой перекристаллизации, которая обеспечит получение необходимой твёрдостии оптимальной структуры, создающих наилучшие условия для обработки сталирезанием. Отжиг стали, как известно, состоит из трёх этапов: нагрева дозаданной температуры, выдержки при температуре нагрева, охлаждения по тому илииному режиму.
Температура нагревазависит от состава стали и её выбираю так, чтобы она на 20 – 40 ºСпревышала положение верхней критической точки АС3. Для сталей наиболеераспространённых типов применяют следующую температуру нагрева ºС:
Шарикоподшипниковая……………………………780– 820
Инструментальнаяуглеродистая………………….745 – 820
Инструментальнаялегированная………………….730 – 880
Быстрорежущая…………………………………….880 – 900
Скорость достиженияконечной температуры нагрева не ограничивается, но обычно она составляет 100ºС/ч. Время выдержки выбирают так, чтобы успели завершиться все тепревращения, которые являются целью термической обработки. Строго говоря,выдержку следует проводить после выравнивания температуры по толщине садкиметалла. В садочных печах выравнивания температуры садки наступает после 10 –12 ч с момента начала нагрева. После этого проводят выдержку в течении 2 – 3ч.
Скорость охлажденияметалла при проведении отжига лимитируется только до 550 – 600 ºС, чтобывсе превращения аустенита были закончены в перлитной области. Это охлаждениеобычно осуществляется со скоростью 20 – 30 ºС/ч. Таким образом весь циклотжига сортового проката занимает 18 – 24 ч.
В некоторых случаяхсортовой прокат подвергают нормализации с нагревом до температуры на 30 – 50ºС выше точки АС3 с последующим охлаждением на спокойном воздухе.
4.2 Конструкцияпечей
Для отжига чаще всегоприменяют садочные печи с выкатным подом и с загрузочной машиной (с внешнеймеханизацией). Кроме того, иногда используют колпаковые печи с радиационнымитрубами или без них с защитной атмосферой. Для нормализации применяют проходныепечи с шагающим подом, конвейерные и роликовые.
Садочные печи. Некоторое время были распространеныпечи с выдвижным подом. В эту печь металл загружают при помощи подвижнойтележки и нагревают вместе с печью. Масса садки печей с выдвижным подомизменяется в очень широких пределах и составляет около 2 т/м² площадипода. Печь обычно отапливают газообразным топливом, для этого предусмотрено дваряда горелок, расположенных в шахматном порядке. Дымовые газы удаляются в боровчерез шесть отводящих каналов, расположенных попарно в середине и по концампечи. Специфическим недостатком печей с выкатывающимся подом является то, чтопри выкатывании подины теряется тепло.
С целью устранения этогонедостатка для отжига сортового проката применяют печи с механизированнойзагрузкой металла (рисунок 29-1). Печь оборудована подподовыми топками, чащевсего её отапливают смесью коксового и доменного газов с теплотой сгорания 7500– 8300 кДж/м³ при помощи горелок типа «труба в трубе».
Характер движения газов врабочем пространстве определяется наличием подподовых топок. Для удалениядымовых газов из рабочего пространства печи в стенках выполнены специальныеканалы, расположенные на уровне пода печи, что обеспечивает удовлетворительныйнагрев низа садки. Масса садки печей составляет 15 – 20 т. Металл загружают впечь при помощи специальной машины.
Отжигу в рассматриваемыхпечах обычно подвергают круглые заготовки диаметром 30 – 60 мм или квадратные сечением 120 – 180 мм. Между отдельными пакетами металла помещают специальныепрокладки, что способствует циркуляции газов внутри садки и повышаетравномерность нагрева. В печах с механизированной загрузкой применяютизотермический отжиг с нагревом до 780 ºС и охлаждением до 650 ºС свыдержкой при этой температуре.
В садочных печах, как впечах периодического действия, значительное количество тепла тратится на нагревкладки. Для таких печей характерно, что на нагрев металла расходуется 17 – 18 %тепла, унос с продуктами сгорания составляет 54 – 56 % и потери кладкой обычноравны 18 – 19 %. Иначе говоря, тепло, теряемое кладкой, равновелико полезномурасходу тепла.
Футеровку термическихпечей выполняют обычно двухслойной: внутренний слой из шамота класса Б,наружный – из теплоизоляционного диатомового кирпича.
Поскольку садочные печиимеют переменный во времени температурный режим, тепловой расчёт таких печейвыполняю на весь цикл работы, а не на 1 ч, как это делают для печей постоянногодействия.
Садочным печам присущиследующие серьёзные недостатки:
- непостоянный вовремени температурный режим, отрицательно сказывающийся на равномерностинагрева металла;
- высокий удельныйрасход топлива, вызванный периодическим нагревом кладки печи;
- сложностьавтоматического регулирования теплового режима печи;
- непригодность длявысокопроизводительного поточно-массового производства.
Однако эти печи покаявляются наиболее приемлемыми агрегатами для выполнения таких операцийтермообработки, которые связаны со значительными выдержками и замедленнымохлаждением. Садочные печи также наиболее пригодны для термохимическойобработки металла.
Проходные печи. Применение проходных печей позволяетобеспечить более совершенный метод нагрева металла. Для термической обработкисортового проката применяют непрерывные печи прямого нагрева трёх конструкций:с шагающим подом, с роликовым подом и конвейерные.
В печах с шагающим подом,применяемых для термической обработки, температура по длине печи чаще всегопостоянна. В печах для нормализации иногда предусматривают по длине две зоны:нагрева до 900 ºС и охлаждения до 300 – 400 ºС. Обычно температурапечи составляет около 1000 – 1050 ºС. Металл нагревается до 900 – 950ºС. Печи отапливают холодным газообразным топливом. Горелки расположеныравномерно по всей длине, дымовые газы удаляются из печи под зонт через рабочиеокна и специальные, выполненные в свода, каналы. Печи с шагающим подом,предназначенные для термообработки, обеспечиваю удельную производительностьоколо 400 – 450 кг/(м²·ч) при удельном расходе тепла около 2100 кДж/кг.
Наиболее широкоераспространение для термической обработки приобретают печи с роликовым подом.
В конвейерных печахрабочее пространство проходит цепной конвейер, транспортирующий металл.Конвейерным печам присущи серьёзные недостатки, в силу которых в чёрнойметаллургии эти печи применяют крайне редко. Главными недостатками являются:
значительный вынос теплаиз рабочего пространства печи элементами цепей, в результате чего увеличиваетсяудельный расход тепла;
недостаточный прогревметалла в местах соприкосновения с цепью;
недолговечность цепей;
Удельный расход тепла втаких печах достигает 2900 – 3350 кДж/кг.
Списокиспользованных источников
1 Теория,конструкции и расчёты металлургических печей. Том 1. — Под редакцией В.А.Кривандина. — М.: Металлургия, 1986.
2 Металлургическиепечи. — В.А. Кривандин, Б.Л. Марков. — М.: Металлургия, 1977.
3 Металлургическаятеплотехника. Том 2. Конструкция и работа печей. — Под редакцией В.А.Кривандина. — М.: Металлургия, 1986.