kontemirov

циклами нагрева садки.Футеровка таких печей, выполненная из шамотного кирпича, поглощает примерно в 3раза больше теплоты, чем садка металла. Уменьшение количества теплоты на разогрев футеровки достигается путем замены шамотных огнеупоров муллитокремнеземистыми волокнистыми плитами, производство которых налажено на Украине и в России.

В проходных печах с шагающими балками благодаря применению волокнистых материалов для тепловой изоляции стен и водоохлаждаемых балок в сочетании с бетонной оболочкой потери теплоты из рабочего пространства сокращают до 3-5% от тепловой мощности печи.

3 способ. Для повышения КИТ применяют следующие мероприятия:

-снижение температуры уходящих газов в методических и кольцевых печах путем теплообмена с металлом в неотапливаемой зоне;

-уменьшение объема продуктов сгорания на единицу топлива с помощью обогащения воздуха кислородом,путем повышения теплоты сгорания топлива, а также путем полного сжигания топлива при минимальном избытке воздуха;

-уплотнение рабочего пространства и регулирование давления газов в печи с целью устранения подсосов атмосферного воздуха.

Однако наиболее эффективным средством повышения КИТ и экономии топлива является утилизация теплоты уходящих из печи газов, в частности, путем нагрева воздуха и газообразного топлива в рекуператорах или регенераторах.

В рекуператорах доля теплоты, передаваемой воздуху по отношению к теплоте уходящих дымовых газов,составляет 30-40%. Остальная часть теплоты выносится в атмосферу.

На печах большой мощности устанавливают энергетические котлы-утилизаторы. Однако присущая нагревательным печам работа с переменной производительностью создает ненормальные условия для эксплуатации дорогостоящих котлов-утилизаторов.

Причины низкой эффективности существующих рекуператоров таковы:

-температура дымовых газов перед металлическим рекуператором не может быть выше 900-1000°С по условиям его долговечности;

-фактически температура дыма на входе в рекуператор значительно ниже в результате подсоса холодного воздуха в дымовой канал за печью, поэтому температура подогрева воздуха (либо газа) не превышает 300-

400°С;

-керамические рекуператоры способны подогреть воздух до более высокой температуры, однако они громоздки и негерметичны. Утечки воздуха через неплотности достигают 50%, в результате чего снижается тепловая мощность печи и нарушается регулирование горения.

Перспективным направлением развития конструкций нагревательных печей в XXI веке является применение для утилизации теплоты печных газов малогабаритных, в частности,шариковых регенераторов. Регенеративные печи нового типа получают распространение в мире по мере накопления опыта их эксплуатации. Насадка малогабаритных регенераторов, применяемых в промышленных нагревательных печах,состоит из корундовых окатышей диаметром 20-25 мм, содержащих 98% Al2O3.Поверхность нагрева 1 м3 такой насадки в 10-15 раз больше, чем кирпичной насадки типа Сименс. Поэтому шариковый регенератор имеет небольшие габариты и может устанавливаться в стенах печи или в так называемой регенеративной горелке.Чтобы возвратить в печь с нагретым воздухом и, при необходимости, с газом как можно больше теплоты, уносимой дымом, насадка регенератора не должна прогреться по всей высоте, поэтому через 1-3 минуты делают перекидку клапанов – дымовоздушных и газовых, при этом температура дыма на выходе из регенератора не превышает 150-200°С.

Шариковые регенераторы возвращают в печь 85-90% теплоты уходящих из печи газов. Температура подогрева воздуха примерно на 100°С ниже температуры дыма на выходе из печи. Расход топлива на печь сокращается в 1,5-2,0 раза. Наибольший эффект относится к печам, не имевшим рекуператоров. Перевод действующих печей на регенеративное отопление требует установки дымососа для преодоления

аэродинамического сопротивления шариковой насадки.

В 2003 году на Украине введена в

эксплуатацию первая нагревательная печь с шариковыми регенераторами.На комбинате "Криворожсталь" реконструирован типовой рекуперативный нагревательный колодец с отоплением из центра подины, в результате чего трубчатые керамические рекуператоры заменены шариковыми регенераторами для подогрева воздуха. Корундовые шарики изготавливаются Белокаменским огнеупорным заводом(Украина). Реконструкция выполнена с минимальным изменением существующей кладки колодца.

Для переключения регенераторов с дыма на воздух и с воздуха на дым через каждые 3 минуты служит один перекидной клапан.

Новизна конструкции состоит в том, что имеется по-прежнему одна постоянно включенная горелка в центре подины вследствие чего отсутствует перекидной газовый клапан, характерный для регенеративных печей.

Методические печи используются для нагрева металла перед прокаткой на листовых и сортовых станах.Методические печи относятся к печам непрерывного действия. Металл в своем движении последовательно проходит зоны печи: методическую (не отапливаемая зона предварительного нагрева); сварочную, в которой осуществляется быстрый нагрев металла; и томильную, где происходит выравнивание температур по сечению заготовки.

Достоинствами методических нагревательных печей являются непрерывный характер работы и относительно стабильный благодаря этому тепловой режим. Непрерывный характер работы методических печей облегчает автоматическое регулирование теплового режима.

В условиях нагрева заготовок с переменными геометрическими и теплотехническими параметрами, а также при переменном темпе выдачи заготовок из печей получение требуемого качества нагрева заготовок возможно лишь при автоматическом управлении работой участка нагревательных печей. Печи различаются по конструкции, но, тем не менее, у всех печей есть много общего в схемах автоматического

контроля и регулирования.

Автоматически контролируются следующие параметры: температура (рабочего пространства в одной или нескольких точках; продуктов сгорания перед и после рекуператора и перед дымососом; подогретых воздуха и газа; первой секции металлических рекуператоров); расход (топлива на печь и по зонам отопления; воздуха;охлаждающей воды, если имеются водо-охлаждаемые детали); давление (в рабочем пространстве печи; газа и воздуха); разрежение в одной или нескольких точках дымового тракта.

Автоматически регулируются: температура в зонах рабочего пространства; давление в рабочем пространстве; качество сжигания топлива.

Для оповещения персонала о нарушениях в работе и автоматического отключения печи при возникновении аварийных ситуаций предусматривается система звуковой и световой сигнализации и отключения газа и воздуха на печь. Отсечка подачи газа и воздуха к горелкам осуществляется при падении давления одного из компонентов горелки и отключении питания приборов КИПиА.

Наиболее сложным вопросом управления нагревательными печами является определения законченности процесса нагрева заготовки. Если определить температуру поверхности еще возможно, то задача определения нагрева центра заготовки является сложной и неразрешимой в промышленном масштабе. Сейчас наиболее эффективно использовать математическую модель нагрева слитка по данным которой управлять процессом нагрева. Для оценки адекватности модели необходимо проводить эксперименты на заготовках и периодически адаптировать ее под текущие производственные условия.

Тепловые процессы,протекающие в нагревательных печах, крайне многообразны. Процессы горения,движения газов, теплообмена, протекающие при высоких температурах сложны и неразрывны. Поэтому исследование теплообмена и его математическое описание представляет собой крайне трудную задачу, решение которой имеет важное теоретическое и практическое значение. Для выработки надежного режима работы

необходимы многочисленные экспериментальные исследования на действующих печах.Однако экспериментальное изучение теплообмена в высокотемпературных печах весьма затруднено. Такие эксперименты как измерение тепловых потоков в различных точках по длине и ширине печи, температуры факела и кладки, продвижение через печи сляба с размещенными в нем термопарами и ряд других могут выполняться лишь единично из-за сложности их, что не может обеспечить изучения многочисленных вариантов изменения режимных параметров печей. В таких условиях незаменимым становится математическое моделирование, требующее выполнения двух непременных условий: наличия возможности более точной математической модели процесса в обязательной строгой адаптации модели на действующем агрегате.Адаптация математической модели также требует сложных экспериментов на печах,однако, не столь многочисленных, как при эмпирическом исследовании в печах.Строго адаптированная математическая модель позволяет с использованием компьютера проанализировать практически любое число вариантов, чего совершенно невозможно сделать при эмпирическом методе исследования, и выбрать оптимальные условия тепловой работы печей для нагрева того или иного металла. При создании моделей методических печей встречается ряд трудностей, связанных со сложностью протекающих процессов и с недостаточной изученностью многих из них.

Методическая печь состоит из нескольких зон, ни одну из которых нельзя рассматривать автономно. Даже первая по ходу газов — томильная зона находится в состоянии теплообмена с последующей сварочной зоной. Все зоны (кроме томильной) испытывают на себе влияние других зон не только в результате протекания процессов взаимного теплообмена, но и в результате перехода продуктов сгорания из предыдущей зоны в последующую. Недостаточная изученность процессов тепловыделения в пламени и теплоотдачи от пламени, усиленных влиянием приходящих из других зон продуктов сгорания, крайне затрудняет решение вопроса о температуре в каждой зоне,которая может изменяться не только по длине, но по ширине и высоте печи. Все это

делает решение по выбору температуры весьма приближенным. Очень часто температуры в томильной и сварочных зонах принимаются постоянными.

Вметодических печах преобладающим (80%) является теплообмен излучением. Подавляющее большинство компонентов теплообмена излучением в рабочем пространстве печей имеет селективные радиационные свойства, которые должны быть учтены при расчете теплообмена, что также создает большие математические трудности.

Впроцессе нагрева металл подвергается окислению, причем по мере продвижения металла к торцу выдачи толщина слоя окалины увеличивается. Окалина представляет собой прежде всего значительное тепловое сопротивление: установлено, что перепад температуры в слое окалины достигает 100 С и более. Но этим влияние окалины на процесс нагрева не ограничивается. Окалина имеет отличные от металла радиационные свойства (спектральные степень черноты и поглощательную способность), что также оказывает влияние на теплообмен излучением.

Вметодических печах предприятий черной металлургии нагреву поддаются более двух с половиной тысяч различных марок сталей, каждая из которых характеризуется своими величинами теплопроводности и теплоемкости, зависящими от температуры. Это крайне усложняет математическую модель, для многочисленных марок сталей.

Всоответствии с уравнением энергетического баланса существует три уровня потребления энергии.Первый уровень характеризуется эффективным поглощением тепла слябом в процессе нагрева, и составляет 60 % общей энергии. Во втором уровне нагрев происходит за счет сгорания топлива, составляя 20 - 30 %. Во время третьего уровня, тепло поглощается за счет излучения поверхности и других утечек энергии,обусловленных структурой печи. Таким образом, температура уходящих продуктов сгорания является переменной, контролирующей расход энергии.

Существуют два вида потерь энергии, причиной которых является уходящие продукты сгорания топлива и потери тепла, связанные с неполным сгоранием топлива.

Следовательно, схема исследования сохранения энергии включает уменьшение температуры уходящих продуктов сгорания и повышение эффективности сгорания топлива.

Таким образом,нагревательные печи металлургии и машиностроения сегодня и в ближайшем будущем должны обеспечивать:

-высокую равномерность и стандартность нагрева изделий на основе управления процессами движения газов и сжигания топлива;

-глубокую утилизацию теплоты уходящих газов на уровне КИТ = 8590%, в частности с применением малогабаритных регенераторов для нагрева воздуха и, в случае необходимости, газообразного топлива с соблюдением экологических требований;

-минимальные потери теплоты на разогрев футеровки и через элементы конструкции печей в окружающую среду путем использования огнеупорных и теплоизоляционных волокнистых изделий;

-малоокислительный режим нагрева со снижением потерь металла в окалину до 0,5% массы нагреваемых изделий.

Актуальным научным направлением развития нагревательных печей является разработка новых горелочных устройств для объемного сжигания топлива с высокотемпературным воздухом, а также систем отопления нагревательных и термических печей с малогабаритными регенераторами.

2. Конструкция агрегата и технологический процесс

Методическая печь — это агрегат непрерывного действия для нагрева металла перед его прокаткой или ковкой. В данном проекте рассматривается методическая печь стана 3000 комбината имени Ильича.

Нагрев слябов производится в нагревательных семизонных печах с шагающими балками, с двухсторонним нагревом, с торцевым посадом и выдачей.

Печь имеет 7технологических зон, в том числе, первая зона объединяет верхние и нижние горелки у торца загрузки перед

дымоходом. Далее по ходу металла расположены 3зоны сверху (3,5,7) и 3 зоны снизу (2,4,6).

Печь по длине имеет 4участка. Первый со стороны загрузки – методическая зона имеет одну зону подачи топлива. Далее по ходу металла участок форсированного нагрева слябов имеет две зоны подачи топлива – верхняя (зона 3) и нижняя (зона 2). Третий участок нагрева слябов до конечной температуры поверхности имеет верхнюю (зона 5) и нижнюю (зона 4) – зоны подачи топлива. Последняя, четвертая, ближе к стороне выдачи – томильный участок, имеет верхнюю (зону 7) и нижнюю (зону 6) подачи топлива.

Рассмотрим назначение зон. Методическая зона (первая по ходу металла) – характеризуется изменяющейся по длине температурой. В этой зоне металл постепенно подогревается до поступления в зону высоких температур (сварочную) во избежание возникновения чрезмерных термических напряжений. Тут осуществляется медленный нагрев металла в интервале температур от 0 до 500ºC, что особенно важно для высококачественных легированных сталей. Вместе с тем методическая зона представляет собой противоточный теплообменник. Находящиеся в состоянии теплообмена дымовые газы и металл движутся навстречу друг другу. Металл нагревается дымовыми газами, т.е.утилизирует тепло дымовых газов, отходящих из зон высоких температур. Общее падение температуры дымовых газов

вметодической зоне весьма значительно.Обычно в зоне высоких температур методических печей температура газов держится на уровне 1300-1400ºC, в конце же методической зоны она находится

впределах 850-1100ºC. Методическая зона значительно увеличивает коэффициент использования топлива, который достигает

40-45%.

Следующие по ходу металла– сварочные зоны или зоны высоких температур. В этих зонах осуществляется быстрый нагрев поверхности заготовки до конечной температуры. Для интенсивного нагрева поверхности металла в сварочных зонах необходимо обеспечивать температуру на150-250ºC выше, чем температура металла на выход из печи.

Томильная зона (зона выдержки) –

последняя по ходу металла. Она служит для выравнивания температур по сечению металла. В сварочных зонах до высоких температур нагревается только поверхность металла. В результате создается большой перепад температур по сечению металла, недопустимый по технологическим требованиям. Температуру в томильной зоне поддерживают всего на 30-50ºC выше необходимой температуры нагрева металла. Поэтому температура поверхности металла в томильной зоне не меняется, а происходит только выравнивание температур по толщине заготовки.

Транспортирование слябов в печи осуществляется шагающим подом. Дымоудаление производится через свод между первой и третьей зонами дымососом.

Режим работы –непрерывный. Заготовки к печам подаются загрузочным рольгангом и фиксируются в определенном положении перед печью, а затем сталкивателем сдвигаются на неподвижные балки печи. Нагретые слябы выдаются с помощью машины безударной выдачи с нижним приводом.

Данная печь обеспечивает нагрев металла до температуры 1050-1120ºC для сталей типа

06-14 Г2САФБ,1150-1250ºC для конструкционных сталей типа сталь 15-40.

Путем изменения расходов топлива и воздуха на группу горелочных устройств обеспечивается возможность управления мощностью и режимом сжигания топлива в каждой отапливаемой зоне печи. Отопление печей осуществляется природным газом с помощью двухпроводных горелок типа ДВБ с принудительной подачей газа и воздуха.

Давление газа перед печью составляет 10 кПа, перед горелками – 3 кПа. Давление воздуха соответственно 4 и2 кПа.

Максимальный расход газа на печь – 17000 м3/час. Максимальный расход воздуха для сжигания топлива – 190000 м3/час.

Воздух в печь подается при помощи вентиляторов холодного дутья через металлический рекуператор, где он подогревается до 350-400ºС.

Продукты сгорания удаляются из рабочего пространства через расположенный над печью котел-утилизатор со встроенным в него рекуператором, и далее через дымососы

на дымовую трубу.

Участок печей должен обеспечить нагрев металла (слябов) перед прокаткой от исходного холодного состояния до температур, обусловленных технологическими требованиями процесса прокатки, и поштучную выдачу слябов на стан в моменты времени, определяемые темпом работы прокатного оборудования. В методической печи нагреваются слябы из различных сталей и разных размеров. Размеры слябов приведены в таблицах 2.1 и

2.2.

На нагрев слябы поступают холодными. Температура нагрева слябов перед выдачей из печи составляет1050-1100ºС.

Перепад температур по сечению нагретого металла 20ºС.

Тепловой режим печей регулируется в соответствии с темпом прокатки и обеспечивает равномерный прогрев металла без оплавления окалины.

Давление в печном пространстве весь период нагрева металла поддерживается положительным в пределах 4-5 Па.

Таблица 2.1 – Размеры непрерывно-литых слябов

ИзмерениеЛинейный Предельные размер, мм отклонения размера, мм

Толщина 200-315 2.5 Ширина 1250-1900 -5...+10 Длина 2500-2800 0...+20

Таблица 2.2 – Размеры катаных слябов

ИзмерениеЛинейный Предельные размер, мм отклонения размера, мм

Толщина 100-145 4 150-240 5

Ширина 1100-1550 10 Длина 2500-2800 50...-30