3.1.3.3. Печи для нагрева блюмов и слябов
Толкательные методические печи. Методические толкательные печи до последнего времени удовлетворяли требованиям по производительности и удельному расходу тепла. В последнее время наметилась прогрессивная тенденция к увеличению длины заготовки и как следствие к увеличению ширины нагревательных печей. Уширение толкательных методических печей значительно усложняет их эксплуатацию, особенно удаление окалины с пода печи. Поэтому, несмотря на то, что толкательные методические печи в настоящее время в прокатных цехах являются основным типом нагревательных печей, перспективы их дальнейшего распространения являются весьма ограниченными. На смену им приходят более совершенные печи с шагающими балками, которые могут работать так же, как и толкательные печи, в режиме методического нагрева.
Тепловой и температурный режимы методических печей неизменны во времени. Вместе с тем температура в методических печах значительно изменяется по длине печи. Характер изменения температуры по длине печи определяет количество и назначение зон печи. Металл поступает в зону наиболее низких температур и, продвигаясь навстречу дымовым газам, температура которых повышается, постепенно (методически) нагревается. Методические печи по числу зон нагрева металла могут быть двух-, трех- и многозонными (рис. 129); с одно- и двусторонним нагревом металла.
Первая (по ходу металла) зона с изменяющейся по длине температурой называется методической зоной. В ней металл во избежание возникновения чрезмерных термических напряжений постепенно подогревается до поступления в зону высоких температур (сварочную зону).
Вторая (по ходу металла) зона называется зоной высоких температур или сварочной зоной. Назначение ее – быстрый нагрев поверхности заготовки до конечной температуры. Температура нагрева металла в методических печах обычно составляет 1423 – 1523 К. Для интенсивного нагрева поверхности металла до этих температур в сварочной зоне необходимо обеспечить температуру 1573 – 1673 К.
Третья (по ходу металла) томильная зона (зона выдержки) служит для выравнивания температуры по сечению металла.
Подобный трехступенчатый режим нагрева необходим в тех случаях, когда нагревают заготовки, в которых может возникнуть значительный перепад температур по толщине (более 200 К на 1 мм толщины металла). Такие печи (с тремя зонами) называются трехзоннььми методическими печами, профиль которых представлен на рис. 129, б, в.
Рис 129. Температурный режим и профиль методических толкательных печей: а – двухзонная печь с монолитным подом; б – трехзонная печь с монолитным подом; в – трехзонная печь с нижним обогоревом; г – многозонная печь с нижним обогревом
В ряде случаев при нагреве тонких заготовок нет необходимости проводить выдержку для выравнивания температур по сечению, так как возникший в сварочной зоне перепад температур небольшой. Томильную зону при этом не предусматривают и применяют двухзонные печи (рис. 129, а).
При нагреве металла перед прокаткой на листовых и сортовых станах применяют четырех- и пятизонные методические печи для повышения общего температурного уровня печи и получения большей производительности. В этом случае выполняют две или три сварочные зоны, в каждой из которых устанавливают горелки. Это позволяет повысить температуру в конце (по ходу газов) методической зоны, уменьшить ее длину и увеличить общую длину зоны высоких температур, в результате чего достигается более форсированный нагрев металла.
В зависимости от толщины заготовки в методических печах можно применять одно- или двусторонний нагрев заготовок. При толщине заготовок до 100 мм двусторонний нагрев не рационален, так как для таких заготовок интенсивный (ускоренный) нагрев поверхности заготовки в сварочной зоне приведет к удлинению выдержки в томильной камере. При этом увеличение длительности выдержки будет больше, чем выигрыш во времени нагрева в сварочной зоне, достигнутый за счет применения нижнего обогрева. При одностороннем нагреве заготовки двигаются по монолитному поду (рис. 129, а). Для обеспечения двустороннего обогрева на всю длину сварочной и методической зон предусматривают специальную камеру с собственным отоплением.
При нижнем обогреве вдоль печи прокладывают специальные глиссажные (водоохлаждаемые) трубы, по которым двигается металл. При охлаждающем действии глиссажных труб в нижнюю часть сварочной зоны печи необходимо подавать больше тепла, чем в верхнюю.
Глиссажные трубы выполняют только в методической и сварочной зонах. В томильной зоне глиссажных труб нет, так как в местах соприкосновения заготовки с водоохлаждаемыми трубами металл прогревается хуже и на его поверхности образуются темные пятна. Поэтому в трехзонных печах с нижним обогревом томильная зона предназначена не только для выравнивания температуры по толщине металла, но и для ликвидации на нижней поверхности заготовки темных пятен, что было бы невозможно при наличии глиссажных труб в томильной зоне.
В двухзонных печах с нижним обогревам часть сварочной зоны выполняют без нижнего обогрева для ликвидации темных пятен от охлаждающего действия глиссажных труб.
Большое значение для работы методических печей имеет способ выдачи металла из печи. Различают торцовую и боковую выдачу металла. При торцовой выдаче необходим один толкатель, который выполняет также и роль выталкивателя. Для печей с боковой выдачей устанавливают не только толкатель, но и выталкиватель, поэтому такие печи при размещении в цехе требуют больших площадей. Однако печи с боковой выдачей по тепловой работе имеют преимущества. При торцовой выдаче через окно выдачи, расположенное ниже уровня пода печи, происходит интенсивный подсос холодного воздуха. Явление подсоса усиливается инжектирующим действием горелок, расположенных в торце томильной зоны. Подсосанный в печь холодный воздух вызывает излишний расход топлива и способствует интенсивному зарастанию подины печи образующейся окалиной.
Методические нагревательные печи по сравнению с камерными нагревательными печами обеспечивают более высокий к.п.д. и более высокий коэффициент использования тепла в рабочем пространстве, что объясняется наличием методической зоны. Если в камерной печи при температуре в рабочем пространстве около 1673 К и нагреве металла до 1473 К температура уходящих продуктов сгорания составляет 1350 – 1673 К, то в методической печи при тех же условиях эта температура составит 1123 – 1173 К. Поэтому к.п.д. методических печей может достигать 40 – 45%.
Конструкции печей. Конструкцию методических печей выбирают в зависимости от типа стана и вида топлива. Тип стана определяет производительность печей, толщину применяемой заготовки, температуру нагрева металла и его сортамент. От вида используемого топлива зависят конструкция горелочных устройств и применение рекуператоров.
Как указывалось выше, при горизонтальном поде квадратные заготовки без взгорбливания проталкиваются через печь, если их общее число не превышает 200. Для увеличения числа заготовок и как следствие для увеличения производительности печи под печи делают наклонным на 6 – 8°. При этом угле наклона число заготовок, находящихся в печи, можно увеличить до 240 – 250. Увеличение угла наклона недопустимо вследствие возможности самопроизвольного сползания заготовок. Для достижения рабочей температуры в печи необходимо, как отмечалось выше, чтобы калориметрическая температура горения составляла 2073 К и более.
Основные конструктивные особенности толкательных методических печей следующие: наклонный или прямой под, торцевая или боковая выдача, число зон отопления, конструкция горелок, установка или отсутствие рекуператоров.
При использовании трехзонных методических толкательных печей на средне- и крупносортных станах под печи выполняется прямым, с торцовой загрузкой и выдачей металла. При этом, так же как в печи, изображенный на рис. 130, сохраняются три зоны отопления при общей тепловой мощности печи в соответствии с ее производительностью.
Все методические трехзонные печи имеют примерно одинаковые показатели по напряженности активного пода и по удельному расходу тепла; исключение составляют печи с монолитным подом и нижним обогревом. Так, печи с монолитным подом (заготовки толщиной до 100 мм) обеспечивают напряжение активного пода, равное 600 кг/(м2ּч), при удельном расходе тепла ~ 1540 кДж/кг. Для трехзонных печей с нижним обогревом при толщине заготовок до 200 мм эти показатели составляют 550 кг/(м2ּч) и 2300 кДж/кг соответственно. Печи с толщиной заготовки более 200 мм дают напряжение пода около 500 кг/(м2ּч) при том же удельном расходе топлива.
Существенное увеличение производительности крупносортных и особенно листовых станов требует, естественно, увеличения производительности пролета нагревательных печей. Решать эту задачу можно двумя путями: 1) увеличить число печей при прежней интенсивности нагрева и 2) поднять интенсивность нагрева и значительно увеличить производительность отдельного печного агрегата и применить меньшее число агрегатов при общем увеличении производительности всего пролета. Второй путь является более предпочтительным, так как снижает затраты на строительство печей. Однако, чтобы поднять интенсивность нагрева, необходимо увеличить температуру в низкотемпературной зоне печи. Подобное увеличение температуры возможно для тех заготовок, допустимая скорость нагрева которых практически неограниченна. Именно в таких случаях и применяются многозонные печи (рис. 129 и 131), где методическая зона по существу отсутствует, а температурный режим печи приближается к камерному. Повышение интенсивности нагрева, достигаемое в многозонных печах, позволяет увеличить напряжение пода печей до 600 – 650 кг/(м2ּч), а производительность отдельных печей листовых станов (слябы длиной до 14 м) довести до 200 – 250 т/ч.
Определив из теплового баланса печи общий расход топлива и распределив его по зонам, выбирают число горелок на каждую зону, производительность и размеры каждой горелки.
Рис. 130. Трехзонная методическая печь
Рис. 131. Многозонная печь для нагрева слябов
В методических печах с нижним обогревом на каждый ряд двигающихся в печи заготовок устанавливают по три продольные глиссажные трубы. Для предохранения труб от истирающего воздействия двигающегося металла к ним приваривают металлические прутки. Продольные глиссажные трубы на значительной части методической зоны опираются на продольные огнеупорные столбики. В высокотемпературной зоне продольные глиссажные трубы опираются на поперечные водоохлаждаемые трубы, расположенные на расстоянии 1 – 1,5 м одна от другой.
Концы поперечных труб выведены за пределы печи и прикреплены к вертикальным стойкам каркаса. В середине поперечные глиссажные трубы опираются на вертикальную опору, выполненную из пары водоохлаждаемых труб, футерованных снаружи огнеупорным кирпичом. Чтобы снизить охлаждающее действие глиссажных труб, предусматривают тепловую изоляцию, в качестве которой применяют специальные огнеупорные блоки.
В нагревательных печах, работающих с открытым пламенем, неизбежно происходит угар металла, который составляет 1,5 – 2%. В большинстве современных методических печей имеются участки с монолитным подом, с материалом которого взаимодействует окалина, образуя бугры и препятствуя нормальному проталкиванию заготовок. Поэтому необходимо уменьшать угар металла и обеспечивать надежную работу печи при неизбежном угаре металла.
Удаление окалины и шлака с пода толкательных методических печей – трудоемкая и тяжелая операция, часто выполняемая вручную через боковые окна. Подину чистят по ходу печи и в период ремонтов.
B печах с нижним обогревом окалину из нижних зон "периодически удаляют через боковые окна.
Печи с шагающим подом. Несмотря на то что строительство печей с шагающим подом обходится дороже, чем строительство пятизонных толкательных печей аналогичной производительности, эти печи находят большое распространение для нагрева металла для станов сортовых, толстолистовых и др.
Преимущества этих печей перед печами толкательного типа проявляются в эксплуатации и в возможности обеспечения значительно более высокой интенсивности нагрева металла. Эксплуатационные преимущества: ликвидация проблемы уборки окалины из печи, возможность легкого удаления металла из печи при остановках стана и ремонтах, возможность гибкого регулирования скорости перемещения металла через печь, что очень важно при частом изменении сортамента металла, уменьшение повреждений поверхности нагреваемых заготовок, значительное (до 0,3 – 0,5%) снижение угара металла за счет повышения скорости нагрева и отсутствия осыпания окалины.
Наряду с этими преимуществами применение шагающего пода позволяет обеспечить практически всесторонний нагрев металла. Это обстоятельство, которое особенно сказывается при нагреве квадратных заготовок для сортовых станов, позволяет значительно увеличить интенсивность нагрева металла.
Рис. 132. Расположение горелок в печах с шагающим подом: а – торцовое и боковое; б – только боковое; в – боковое и сводовое
Тепловой и температурный режимы печей с шагающим подом неизменны во времени, так как эти печи являются проходными печами постоянного действия. Следует отметить, что эти печи могут работать по камерному режиму и с переменной температурой по длине печи.
Как отмечалось выше, температурный режим печей зависит от характера отопления печей, распределения горелок и дымоотводов. В печах с шагающим подом применяют различное расположение горелок: торцовое, боковое и сводовое (рис. 132). Наиболее часто применяют комбинированное расположение горелок: торцовое и боковое или боковое и сводовое. При боковом отоплении ширина печи составляет 11 – 12 м. При большей ширине печи возможно возникновение неравномерности нагрева по длине заготовки (сляба). При оводовом отоплении заготовки нагреваются достаточно равномерно, поэтому целесообразным является такой метод отопления, когда нижний обогрев оборудован боковыми горелками, а в зонах верхнего обогрева используются сводовые горелки.
Продукты сгорания топлива отводят на стороне загрузки металла и печи с шагающим подом работают обычно с переменной температурой по длине. В отличие от методических толкательных печей в печах с шагающим подом во всех зонах происходит нагрев металла, но интенсивность нагрева в разных зонах может быть различной.
Печи с шагающим подом выполняют без нижнего обогрева и с нижним обогревом. При нижнем обогреве конструкции шагающего пода выполняют водоохлаждаемыми, в результате чего на нагреваемых заготовках образуются темные пятна. Для того чтобы исключить возникновение темных пятен, на трубы шагающих балок приваривают специальные стояки или подставки, промежутки между которыми заполняют теплоизоляцией. Кроме того, горизонтальные трубы шагающих балок расположены в плане не параллельно оси печи и место контакта их со слябом при продвижении металла в печи постоянно меняется.
Конструкция печей. Можно представить следующие варианты конструктивного оформления идеи «шагания» пода:
1) под печи может состоять из трех частей в 2-х вариантах: неподвижного пода (у стен), шагающих и стационарных балок; неподвижного пода (у стен), и 2-х групп шагающих балок;
2) под может не иметь элементов неподвижного пода и состоять из двух групп шагающих балок.
При двух группах шагающих балок обеспечивается более высокий темп выдачи заготовок, но стоимость строительства печи возрастает. Щели между шагающими (или шагающими и стационарными) балками (рис. 133) полностью перекрыты при помощи кожуха, погруженного в неподвижный водяной затвор. Водяные затворы смещены относительно щели между балками, а напротив щели предусмотрен короб для гидравлического удаления окалины. Устройство водяных затворов исключает попадание в печь воздуха из атмосферы.
В печах без нижнего обогрева стационарные и подвижные балки футеруют (сверху вниз) так: хромитовая пластичная масса, огнеупорный материал, содержащий 35 – 44 % Сr2О3, и внизу легковесный изоляционный бетон. Части футеровки балок, примыкающие непосредственно к щели, выполняют из огнеупорного бетона, легко восполнимого при ремонтах. В некоторых случаях для футеровки балок применяют магнезитохромитовые кирпичи, что не дает пока вполне удовлетворительного результата. Напряжение активного пода в печах с шагающим подом достигает 1300 – 1400 кг/(м2ּч), пребывание заготовок 80 х 80 мм в печи составляет 23 – 30 мин, удельный расход тепла ~ 1800 кДж/кг.
Рис. 133. Печь с шагающим подом: а – поперечный разрез (половина): 1 – неподвижные балки; 2 – подвижные балки; 3 – керамические бортики; б – продольный разрез
Печи с роликовым подом. Печи с роликовым подом являются весьма перспективными, так как у них наиболее совершенная система транспортировки металла через печь. Условия службы роликов при рабочей температуре печи примерно 1573 – 1623 К очень тяжелые, поэтому применяют водоохлаждаемые ролики. Применение таких роликов приводит к тому, что удельный расход тепла достигает 4700 кДж/кг, т. е. расход топлива примерно в два раза превышает расход топлива для печи с шагающим подом при одинаковой производительности печей. Конечно, это большой недостаток таких печей. Печи с роликовым подом в настоящее время широко используют при термообработке металла.
Для нагрева металла перед прокаткой печи с роликовым подом иногда применяют для нагрева заготовок, полученных на машинах непрерывной разливки стали. В этом случае нагреву подвергают сравнительно тонкие слябы толщиной 100 – 150 мм, длина которых может достигать 60 м и более.