Konspekt_lektsy_MA

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ УКРАИНЫ
ПРИАЗОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

КАФЕДРА ТТМП












Краткий конспект лекций по курсу
«Производственные процессы и
теплотехнические агрегаты»
(для студентов групп МА заочной формы обучения)


















Мариуполь, 2008 УДК 536

Настоящее пособие предназначен для учащихся специальности 6.050202 "Автоматизація та компґютерно-інтегровані технології". В нем освещены вопросы теории, конструкции и эксплуатации современных металлургических печей.

Составитель: Айнагоз Г.В. – Мариуполь, ПГТУ, 2008 – 62 с.





Составители
Г.В. Айнагоз

Ответственный за выпуск
проф., д.т.н. В.А. Маслов

Введение


В настоящее время работа металлургических и машиностроительных заводов немыслима без использования печных агрегатов. Нагрев металла перед прокаткой и ковкой, нагрев металла для термической обработки – все эти операции выполняют в металлургических печах, значение которых очень велико. Этим объясняется то, что печная теплотехника в настоящее время представляет собой самостоятельный раздел науки.
В современном понимании печь – это тепловой агрегат, в котором происходит выделение теплоты и передача ее материалу, подвергаемому обработке. Производство проката и его термообработка немыслима без тепловых агрегатов, а теплофизические процессы, происходящие в них определяют уровень производства.
Развитие конструкций металлургических печей в настоящее время идет по линии интенсификации процессов теплообмена при высокой степени механизации и автоматизации.
Дальнейшее усовершенствование существующих металлургических печей, наряду с созданием новых высокопроизводительных и автоматизированных агрегатов, позволит выполнить важные задачи, стоящие перед нашими металлургами.


1 Общая характеристика печей


1.1 Назначение и классификация печей

В настоящее время действующие печи делят на две группы, различающиеся по характеру происходящих в них процессов. В одних печах выделение тепла происходит в самом материале, подвергаемом обработке. Для подобных печей процессы теплогенерации играют главенствующее значение. Примером таких печей может служить конвертер, предназначенный для получения стали из жидкого чугуна. Другую, несравненно более обширную группу составляют печи, в которых выделение тепла происходит вне материала и тепло передается ему благодаря протеканию процессов теплообмена. К этой группе относят большое число плавильных, нагревательных и термических печей.
В современных печах определяющими являются процессы теплообмена, поэтому следует стремиться к созданию условий, при которых в печи достигается наибольший тепловой поток к поверхности материала и полное усвоение им этого потока.
По технологическому признаку можно классифицировать печи как нагревательные и термические. В нагревательных печах производится нагрев металла для улучшения пластических свойств перед обработкой давлением (прокатка, ковка).
Общей тенденцией развития нагревательных печей является интенсификация нагрева металла (при соблюдении требований по качеству нагрева) и стремление к максимально возможной механизации и автоматизации работы печей.
В настоящее время на металлургических заводах применяют, как разливку стали в изложницы, так и непрерывную разливку стали. В первом случае для нагрева слитков перед прокаткой на блюмингах и слябингах используются нагревательные колодцы, а во втором – они отсутствуют.
Различают регенеративные и рекуперативные нагревательные колодцы (по применению теплоутилизационных устройств для подогрева компонентов горения: воздуха и топлива), кроме нагревательных колодцев для нагрева слитков применяются камерные печи с выкатным подом, в которых происходит постоянный нагрев, что важно при нагреве слитков большой массы.
Камерные печи с выдвижной подиной применяет для нагрева поковок и заготовок большой массы и сложной формы перед ковкой в кузнечных цехах.
Для нагрева заготовок прямоугольного сечения (блюмы, слябы) используют проходные печи непрерывного действия. Эти печи наиболее распространены в черной металлургии. К ним относятся методические печи, толкательные и с шагающими балками, печи с роликовым подом.
При современных процессах непрерывной прокатки оптимальными являются методические печи с шагающими балками и печи с роликовым подом.
Кроме прямоугольных заготовок подвергают нагреву цилиндрические заготовки различного вида, которые затем прокатываются на трубопрокатных, колесопрокатных и шаропрокатных станах. Для нагрева таких заготовок применяют кольцевые и секционные печи.
В машиностроении для нагрева заготовок небольшой массы и размеров перед штамповкой или ковкой применяю камерные печи со стационарным подом.
Все нагревательные печи обеспечивают высокую температуру нагрева металла (~ 1250–1300 оС) и работают в условиях радиационных режимов теплообмена.
В термических печах регламентированный нагрев производится для изменения внутренней структуры металла и получения необходимых технологических свойств.
В черной металлургии термической обработке подвергаются: листы, плиты, трубы, рельсы, бунты проволоки, рулоны, стальная лента в агрегатах для дальнейшего покрытия поверхности этой ленты, слитки после процессов электрошлакового переплава.
В термических печах производится, как правило, нагрев под закалку, нормализацию, отжиг. В качестве термических печей используются печи с роликовым подом: термообработка листов, труб, бунтов проволоки; секционные печи для термообработки труб. Плиты (толщиной свыше 50 мм) и слитки термообрабатываются в камерных печах с выдвижной подиной.
Термообработка (отжиг) рулонов стали и стальной полосы производится в колпаковых и протяжных печах в защитной атмосфере. Стальная полоса из динамной и трансформаторной стали отжигается в башенных печах. По режиму работы различают печи периодического и непрерывного действия.
В печах периодического действия загрузка и выгрузка теплообрабатываемого материала осуществляется циклически (загрузка – период нагрева – выдержка – выгрузка – загрузка – и т.д.). К таким печам относятся: нагревательные колодцы, камерные печи, колпаковые печи.
Печи непрерывного действия характеризуются стационарным тепловым режимом. Это следующие печи: методические, кольцевые, с роликовым подом, секционные, протяжные, камерные печи со стационарным подом (в отдельных случаях).

1.2 Принципиальная схема печи и характеристика основных элементов

Многообразны технологические процессы, реализуемые на основе нагрева, плавления, выдержки при высоких температурах, занимающие одно из ведущих мест в металлургии и машиностроении. Теплотехнические процессы являются неотьемлимыми условиями прохождения значительного количества технологических процессов. Поэтому теплотехнические обеспечение технологических процессов получило название - теплотехнология.
Теплотехнология – это совокупность преобразования исходного сырья, материалов, полуфабрикатов в заданный товарный предмет на основе изменения теплового состояния их веществ.
Теплотехнологический процесс – это элемент теплотехнологии, включающий совокупность элементарных (физических, теплофизических, химических, механических и др.) процессов, обеспечивающих конкретное, технологически регламентируемое тепловое воздействие на сырье, материалы, полуфабрикаты на отдельных этапах производственного цикла.
Примеры теплотехнических процессов являются технологические процессы во всех существующих печах.
Рабочее пространство технологической установки – это одно или многокамерное устройство, в пределах которого осуществляются все стадии данного технологического процесса. Примеры подобных устройств – металлургический конвертер, рабочее пространство мартеновской печи и т.д.
Теплотехнологический агрегат – совокупность теплотехнологической установки (печи) и эксплуатационно связанного с ним технологического, теплотехнологического, энергетического, транспортного, приемно-распределительного устройства и другого оборудования, непосредственно обеспечивающего реализацию данного теплотехнологического процесса и работающая в едином технологическом ритме. Примером этого является совокупность оборудования мартеновской и методической печи, нагревательных колодцев и др.
Таким образом, технологический агрегат (печь, установка) представляет совокупность рабочего пространства, в пределах которого осуществляется высокотемпературный процесс и оборудования, обеспечивающего его реализацию.
Теплотехнологический агрегат (печная установка) независимо от технологического назначения, включает следующие основные элементы:
Футерованное рабочее пространство печи;
Система подвода теплоты;
Система отводов отработанных продуктов горения;
Система утилизации теплоты уходящих газов;
Система контроля и автоматического управления.
Рассмотрим общую схему печной установки (теплотехнологического агрегата) (рис.1.1) и дадим характеристику всем ее элементам. Основой рабочего органа печи является рабочее пространство, которое представляет собой высокотемпературную камеру, ограниченную огнеупорной кладкой. Рабочее пространство состоит из следующих элементов: под (подина печи), свод, боковые и торцевые стены.
Нижняя часть рабочего пространства, на котором размещается обрабатываемый материал (4), называется подом (подиной) печи. Поды рабочих камер установок для переработки твердых технологических материалов должны обладать высокой огнеупорностью, механической прочностью, химической и эрозионной стойкостью, а плавильных установок – шлакоустойчивостью и высокой плотностью. Под печи бывает неподвижным и подвижным. В технике встречаются следующие виды подвижного пода: выдвижной (для обжига и нормализации крупных паковок и отливок); выкатной (для крупнотоннажных изделий), вращающийся (для нагрева крупных слитков или заготовок), шагающий (для нагрева заготовок прямоугольного и квадратного сечения), роликовых (для нагрева труб и листа).
Конструктивный элемент, ограждающий рабочее пространство с боков и торцов, называется стеной (3). Она выполняется многослойной. Функции слоев разделены: огнеупорные слои противостоят разрушающим воздействиям высоких температур, а легковесы и эффективная тепловая изоляция снижает тепловой поток через слой футеровки, а уплотняющий слой герметезирует футеровку.
Стены печи упираются непосредственно на металлический каркас или на подину установки, которая лежит на нижней раме каркаса. Сверху рабочее пространство ограничивается сводом печи (2).
Своды классифицируют по форме на цилиндрические, купольные и плоские; по способу крепления – на распорные, распорно-подвесные и подвесные. Свод может быть подвижным и неподвижным.
Подвижный свод необходим в ряде случаев для загрузки и выгрузки металла. В этом случае верхнюю часть печи называют крышкой.
Пролет распорных сводов ограничен допустимыми напряжениями и для большинства огнеупоров не превышает трех метров. В распорно-подвесных сводах часть веса передается через подвески на каркас и напряжения в огнеупорах снижаются. Подвесные своды полностью передают вес на каркас с помощью подвески штучных изделий и могут перекрывать пролет до 10-12 м.
Основным источником тепла в печи является химическая энергия горения топлива. Система подвода источника тепла включает сеть газо - и воздухопроводов, топливосжигающие устройства (горелки) и дутьевое оборудование (вентиляторы или компрессоры) для подачи воздуха.
Основное назначение горелочных устройств (5) - организация и ввод в рабочее пространство печи (топочную камеру) заданного количества газа при заданном соотношении газ-воздух, а также при заданном уровне соотношения газ-воздух. В зависимости от организации смешения (газ-воздух) различают горелки с полным предварительным смешением (кинетические), без полного предварительного смешения (диффузионные) и с улучшенным смешением.
За счет использования вторичных энергетических ресурсов в этой печной установке в горелки подается подогретый воздух и подогретый газ.
Факельное сжигание топлива осуществляется в свободном объеме рабочего пространства печи. Горелочное устройство и параметры газа и воздуха должны подбираться такими, чтобы длина факела ограничивалась длиной рабочего пространства печи. Под длиной факела следует понимать расстояние от носа горелки до точки по оси горелки, в которой происходит полное выгорание горючих компонентов (% СО2 =0,95% СО2тах).

Рисунок 1.1 – Общая схема печного агрегата
1 – под (подина) печи; 2 - свод печи; 3 – боковые и торцевые стены печи; 4 – обрабатываемый материал (изделие);
5 – топливогенерирующие устройства (горелки, форсунки); 6 – дымоотводящие каналы; 7 - дымовой боров; 8а – теплоиспользующие устройства замкнутого типа (подогрев воздуха); 8б - теплоиспользующие устройства замкнутого типа (подогрев газа); 9 - теплоиспользующие устройства разамкнутого типа (котел-утилизатор, водяной экономайзер);
10 – дымовая труба; 11 – дымовой шибер; 12 – дымосос.
Условные обозначения: - дымовые газы; - воздух; - горючий газ; - вода
Вх, Вп – воздух холодный и подогретый; Гх , Гп – газ холодный и подогретый;
Н2О, Н2Ог – вода холодная и горячая; Dг – дымовой газ (продукты горения).

В результате сжигания топлива в рабочем пространстве печи образуются продукты полного сгорания (дымовые газы). Двигаясь внутри рабочего пространства дымовые газы передают свое тепло конвекцией и излучением кладке печи и нагреваемому (обрабатываемому) металлу. Доставленное к поверхности тепло передается внутрь стенок печи и металлу теплопроводностью, в результате чего они нагреваются.
Отдав часть тепла печи, дымовые газы покидают рабочее пространство через специальные проемы (6), расположенные в нижней части, где они имеют самую низкую температуру и устремляются по системе дымоходов в дымовой боров.
Система отвода дымовых газов включает сеть дымовых боровов (7), которые представляют собой футерованные каналы для транспортирования отходящих из печи отработанных дымовых газов до дымовых труб.
Дымовые газы уносят из печи от 50% до 85% физической теплоты с температурой от 700оС до 1500 оС, что ставит задачу о необходимости системы утилизации этой теплоты, которая называется ВЭР – вторичные энергетические ресурсы. К таким устройствам в печных агрегатах относятся рекуперативные и регенеративные теплообменники.
В рекуператоре тепло от остывающего теплоносителя (дымовых газов) непрерывно передается греющемуся воздуху (возможно и газу) через разделяющую стенку. Простейшим рекуператором является труба в трубе, где по внутренней трубе подается воздух, а по наружной - остывающий дым, а тепло передается через стенку. Рекуператоры бывают металлические, керамические и металлокерамические.
В регенеративном теплообменнике имеются две насадки (с разных сторон печи). В начале через первую насадку пропускается отходящий из печи дымовой газ, которые ее разогревает до максимальной температуры. Затем через эту разогретую насадку пропускается воздух, который нагревается и подается в горелку печи. В то время как через первую насадку подается воздух для нагрева, вторая насадка разогревается за счет дымовых газов. Примером такой печи является регенеративный нагревательный колодец.
Охлажденный в теплоиспользующих устройствах дымовой газ (до 160-220 оС) по дымовому борову движется к основанию дымовой трубы (10), где из условий геометрического давления достигается максимальное разряжение, которое называется еще тягой дымовой трубы – отвод и рассеивание дымовых газов в окружающем пространстве. Высота дымовой трубы ограничивается из условия: тяга дымовой трубы должна быть равна суммарной потери энергии при движении дымовых газов из рабочего пространства до основания дымовой трубы. Если эти потери энергии слишком велики, например, за счет установки котла-утилизатора, то у основания дымовой трубы дополнительно устанавливается эксгаузер – отсасывающий вентилятор(12).
Для регулирования давления в рабочем пространстве печи и исключения как выбивания дымовых газов из неплотностей печи, так и подсоса холодного воздуха в печь, в дымовом борове устанавливается дымовой шибер (11).
Таким образом, представленная схема работы печной установки является обобщенной и не исключает наличия различных вариаций. Например, не всегда целесообразно устанавливать котел-утилизатор или экономайзер, или газовый рекуператор. В других случаях устанавливают котел-утилизатор на несколько печей, а то и на отделение.


2 Нагревательные колодцы

Обычно слитки металла, полученные в мартеновском, конвертерном или электросталеплавильном цехах, перед прокаткой на обжимном стане подвергают дополнительному нагреву в нагревательных колодцах, к преимуществам которых можно отнести:
1) возможность устанавливать слитки в вертикальном положении, что обеспечивает более быстрый и равномерный нагрев металла, а также исключает возможность смещения усадочной раковины;
2) удобство транспортировки, загрузки и выгрузки металла при вертикальном положении слитков.
Нагревательные колодцы устанавливают перед обжимными станами (блюмингами и слябингами), на которых обычно прокатывают слитки массой не менее 2-3 т и толщиной свыше 350-400 мм.
К нагревательным колодцам предъявляют требования по обеспечению:
1) достаточно быстрого нагрева металла, обеспечивающего высокую производительность колодцев (общую и удельную);
2) качественного нагрева металла (равномерность нагрева по высоте и сечению слитков без местных оплавлений);
3) эффективной работы воздухо- и газоподогревателей невысокого удельного расхода топлива;
4) возможности надежного автоматического регулирования теплового режима;
5) высоких эксплуатационных качеств (удобство удаления шлака, полное сжигание топлива в пределах рабочего пространства, достаточная герметизация рабочего пространства и теплообменных устройств, достаточная стойкость крышек и других элементов нагревательных колодцев);
6) наиболее простой конструкции и невысоких капитальных затрат на строительство;
7) возможности разместить наибольшее количество металла, приходящегося на 1 м длины здания цеха.
Каждый нагревательный колодец в отдельности называют ячейкой. Несколько ячеек составляют группу. Для группы ячеек предусматривается одна дымовая труба и общее помещение для контрольно-измерительных приборов. Производительность нагревательных колодцев обычно исчисляют на группу в год. По производительности стана и одной группы, можно найти необходимое число групп нагревательных колодцев.
Для нагрева крупных слитков применяют колодцы, потому что при вертикальном расположении слитков в колодце нет опасного смещения усадочной раковины в слитке с незатвердевшей сердцевиной; продукты сгорания омывают большую часть поверхности слитков и почти вся она получает тепло излучением от кладки, что обеспечивает более быстрый и равномерный нагрев металла, чем в печах других типов; слитки сравнительно просто загружать и выдавать (колодцевым краном).
Отделение колодцев (рис. 2.1) является буфером между сталеплавильными агрегатами и обжимным станом. Колодцы обеспечивают непрерывную подачу нагретого металла к стану при поступлении металла плавками и часто через неравные промежутки времени.

Рисунок 2.1 – Продольное расположение отделения нагревательных колодцев с подачей слитков одним слитковозом: 1 - основной пролет; 2 - пристрой; 3 - помещение для уборки шлака и подачи коксика; 4 - проезд; 5 - железнодорожный путь; 6 - путь слитковоза; 7 - площадка для ремонта напольного крана; 8 - дымовая труба; 9 - свободный шаг; 10 - колодцевый кран; 11 - мостовой кран; 12 - напольный кран.

Температура поверхности слитков при посадке в колодцы зависит от времени доставки и формы слитков.
Тепловой и температурный режимы. Современные нагревательные колодцы являются камерными печами периодического действия, работающими по переменному во времени тепловому и температурному режиму. В подавляющем большинстве нагревательных колодцев нагрев металла осуществляется садками, ячейки колодцев после выдачи из них всех нагретых слитков каждый раз вновь загружают новой партией слитков. При выдаче и посадке слитков в результате частого открывания крышек кладка рабочего пространства нагревательных колодцев охлаждается. Это приводит к тому, что при работе колодцев на горячем посаде в начале нагрева температура слитков оказывается выше температуры поверхности кладки и основным потребителем тепла в этот период является кладка колодца.

Рис. 2.2 – Температурный режим и тепловой баланс нагревательного колодца при нагреве слитков горячего посада: 1 - температура крышки; 2 - температура отходящих продуктов сгорания; 3 -температура поверхности слитка; 4 - температура середины слитка; а - общий расход тепла; б - потери тепла с продуктами сгорания; в - потери тепла вследствие неполноты сгорания топлива; г - расход тепла на нагрев металла; д - тепло, поглощаемое кладкой, охлажденной при открывании колодца; е потери через кладку
На рис. 2.2 показан температурный режим и приведен тепловой баланс колодца при нагреве слитков горячего посада для различных периодов нагрева. Из рисунка видно, что в начальный период нагрева в колодец подают максимальное количество тепла, соответствующее его тепловой мощности. После того как кладка достигнет своей рабочей температуры, начинается интенсивный нагрев металла.
Расход тепла поддерживают максимальным до тех пор, пока температура той части слитка, которая нагревается наиболее быстро, не достигнет допустимого значения, что указывается импульсной термопарой. Этот период носит название периода нагрева. Вслед за ним наступает период выдержки, в течение которого происходит постепенное уменьшение расхода тепла, так как в течение этого периода температура поверхности слитков остается неизменной и тепло расходуется только на прогрев слитка по сечению. В течение этого периода температура отходящих продуктов сгорания остается приблизительно постоянной.
Тепловую мощность нагревательных колодцев выбирают так, чтобы обеспечить быстрый подъем температуры кладки и поверхности слитков в начале нагрева. При заниженной теплели мощности период нагрева затянется, а период выдержки сократится, но полный цикл нагрева неоправданно затянется. При завышенном максимальном расходе топлива период нагрева сократится, но увеличится неравномерность температуры по сечению слитков и вследствие этого затянется период выдержки.
Оптимальное значение расхода тепла лежит в пределах 2,09-2,93 МДж на 1 т садки.
Рабочая температура в нагревательных колодцах составляет 1350-1400° С. Для обеспечения такой рабочей температуры калориметрическая температура горения топлива должна достигать 2000-2100° С.
Колодцы можно отапливать любым газообразным топливом и мазутом. Однако при отоплении колодцев газом с низкой теплотой сгорания (например, доменным) для обеспечения успешной работы нужно подогревать газ и воздух до 800-900°С.

2.1 Регенеративные нагревательные колодцы

Группа состоит из четырех колодцев, каждый из которых оборудован самостоятельной системой питания газом и воздухом, боровами, механизмом передвижения крышки и системой автоматики.
Тепловая мощность действующих колодцев составляет (14,67ч29,3)13 EMBED Equation.3 1415106 Дж/ч, а масса садки 45-80 т (на один колодец).
Воздух подогревают до 750-1150° С, а доменный газ - до 800-1150°С. Объем насадки газового регенератора 2-4 м3/106 ккал/ч тепловой мощности, а воздушного 2,5-4,5 м3/106 ккал/ч (одна сторона). Насадка системы Сименса с размерами ячейки 65 мм.
На регенеративных колодцах обычно применяют крышки арочного типа с литой рамой, передвигаемые реечными механизмами.
Каркас колодца – цельносварная металлическая конструкция. Каркас облицовывают стальным листом толщиной 6-10 мм. Подподовые балки рассчитывают на статическую нагрузку от кладки и слитков. При этом вводят коэффициент запаса, в три-пять раз увеличивающий расчетную нагрузку (на случай падения на подину слитка из клещей крана).
Фундамент колодцев состоит из плиты с двумя подпорными стенами. Одна из стен расположена со стороны железнодорожных путей, а вторая– со стороны дымовых труб. На стену устанавливают колонны наружного ряда здания отделения колодцев. Фундаменты колонн среднего ряда здания отделения располагают под плитой, в которой предусматривают проемы для банкетки колонны. Все элементы фундамента выполняют из монолитного железобетона. Плиту и подпорные стены защищают от перегрева, устраивая шанцевую выстилку из глиняного обыкновенного кирпича под регенераторами и боровами.
Колодцы отапливают обычно доменным газом с теплотой сгорания 3,5-4,4 МДж/м3. В период нагрева на некоторых заводах дополнительно подают коксовый или природный газ, увеличивая теплоту сгорания в этот период на 25-35 %. Для отопления колодцев иногда применяют мазут, однако стойкость кладки при этом существенно снижается, а эксплуатация значительно сложнее, чем при отоплении газом.
Для изменения направления движения газа и продуктов сгорания применяют золотниковые клапаны с водяным затвором, а воздуха и продуктов сгорания – такие же клапаны или мотыльковые клапаны. Пару клапанов устанавливают на каждый колодец. Воздух подают вентилятором среднего давления, устанавливаемым, как правило, на группу.


Рис. 2.3. Регенеративный нагревательный колодец: а - продольный разрез колодца; б- поперечный разрез по группе колодцев: 1 - насадка газового регенератора; 2 - насадка воздушного регенератора; 3 - крышка; 4 - механизм передвижения крышки; 5 - проем для удаления шлака; 6 - газо- и воздухопроводы; 7- вентилятор; 8 - перекидные устройства; 9 - шлаковая летка


Шлак из регенеративных колодцев удаляют в жидком виде. На продольных стенах крайних колодцев группы установлено по одной шлаковой летке обогреваемых горелками, в которые подают коксовый газ (13 EMBED Equation.3 141550 м3/ч) и компрессорный воздух (13 EMBED Equation.3 141565 кг/ч). Из средних колодцев шлак стекает в крайние через проемы в разделительных стенах (см. рис. 2.3). Размер проема 600х900 мм.
Наибольшая длина рабочего пространства регенеративных колодцев по проекту была 4,5 м. В настоящее время заводские работники была проведена реконструкцию и удлинили рабочее пространство колодцев с первоначальной длины 3,0 до 4,0 м, а с 4,0-4,5 до 5,6-5,7 м, сократив ширину насадок регенераторов и толщину разделительных стенок между газовой и воздушной насадками. При этом было достигнуто увеличение производительности на 15-20%.
В схеме автоматического регулирования теплового режима колодцев предусматривают следующие основные узлы регулирования: температуры в рабочем пространстве; соотношения газ-воздух; давления в рабочем пространстве; отключения подачи газа и управления приводами перекидных клапанов, а также автоматический контроль температуры в поднасадочном пространстве газовых регенераторов и в борове; давления в трубопроводах доменного газа и воздуха, а также показывающие приборы. В двух соседних колодцах группы, соединенных проемом для удаления шлака, давление регулируют совместно, сажая и выдавая слитки одновременно. Учитывая, что в особых случаях количество газа, подаваемое в эти колодцы, может быть различным, для каждого из них предусматривают еще дополнительные регулирующие дроссельные клапаны. Степень открытия этих клапанов устанавливается автоматически в зависимости от количества подаваемого газа и давления в соответствующем колодце. Автоматическое отключение подачи топлива происходит при перекидке клапанов, открывании крышек, падении давления газа, воздуха или масла в системе струйных регуляторов и напряжения в электрической сети. Кроме двух первых случаев, возобновить подачу топлива можно только вручную. Автоматическую перекидку клапанов осуществляют реле времени через одинаковые или разные для обеих сторон интервалы (от 1 до 30 мин).

2.2 Рекуперативные нагревательные колодцы с центральной горелкой

Группа состоит из двух совершенно самостоятельных колодцев. Тепловая мощность действующих колодцев составляет 4,6-8,4 МВт, а масса садки 45-105 т.
Воздух подогревают до 650-850 °С в керамическом рекуператоре с вертикальными трубами объемом 49-66 м3 (две камеры). Во многих случаях применяют подогрев газа до 200-300 °С в металлическом трубчатом рекуператоре с поверхностью нагрева 140 м2.
Длина рабочего пространства колодцев с отоплением из центра подины равна 4,8-5,1 м, ширина 4,6-4,8 м, высота 3,1-3,3 м. Внутреннюю поверхность стен рабочего пространства с целью увеличения их стойкости делают выпуклой наружу. Стрела прогиба составляет 150 мм при длине стены около 5 м. Слитки при помощи клещевого крана устанавливаются на поду и подвергаются всестороннему нагреву. Рабочая камера колодца 1 имеет футерованную крышку 2, которая перемещается специальными краном 3 приподнимается и отводится в сторону. Крышка уплотняется при работе колодца песочным затвором. Керамические рекуператоры 6, расположенные по бокам, имеют конструкцию, изображенную на рис. 2.4.
Газ к горелке 4 подается без подогрева, а воздух – подогретым в рекуператоре до 650-850 °С. В рабочем пространстве струя, выходящая из горелки, возбуждает циркуляцию газов во всем объеме, что способствует равномерному нагреву слитков.

Рис. 2.4 - Рекуперативный колодец с горелкой, расположенной в центре подины. 1 - рабочая камера; 2 - футерованная крышка; 3 - напольный кран для перемещения крышек; 4 - газовая горелка; 5 - дымоотводящие каналы; 6 - керамические рекуператоры.
Крышку колодца выполняют из прокатных профилей и передвигают напольным крышечным краном, каждый из которых обслуживает обычно три группы колодцев.
Колодцы предпочтительно отапливать газом с теплотой сгорания не ниже 5,8 МДж/м3.
Шлак из колодцев с отоплением из центра подины удаляют как в сухом виде с коксиком, так и в жидком виде, как и на регенеративных колодцах.
Технология жидкого шлакоудаления. Подину засыпают коксиком с кварцевым песком в смеси (300 мм). Образуется жидкий шлак, т.к. файолит - смесь окалины, коксика и кварцевого песка имеет температуру плавления 1220-1280 °С, стекает в летку по наклонной подине. Когда коксик на подине выгорает и уходит в шлак температура печи поднимают до 1400°С, шлак полностью стекает с подины, потом температуру печи доводят до требуемой.
В схеме автоматического регулирования теплового режима предусматривают следующие основные узлы регулирования: температуры в рабочем пространстве; соотношения газ-воздух; давления в рабочем пространстве и отключения подачи газа при открывании крышки; падения давления газа, воздуха или масла в системе струйных регуляторов и напряжения в электрической сети. В схеме предусмотрены также автоматический контроль и показывающие приборы.
Недостатки рекуперативных нагревательных колодцев с центральной горелкой:
неравномерность нагрева по высоте (достигает13 EMBED Equation.3 1415) и по ширине (13 EMBED Equation.3 1415) нагревательного колодца, отсюда повышенный расход топлива;
неравномерность нагрева слитков;
значительное усилие при прокатке;
Кардинальное решение этих недостатков– импульсное отопление.
утечка воздуха в керамических рекуператорах ( подсос воздуха холодного до 60 %) рекуператоре.
Кардинальное решение – заменить на более герметичный рекуператор или регенератор с шаровой насадкой.
2.3 Рекуперативные нагревательные колодцы с одной верхней горелкой

Рекуперативные нагревательные колодцы с одной верхней горелкой – рабочее пространство прямоугольной формы, закрывается крышкой. (рис.2.5)

Рис. 2.5. Рекуперативные колодцы с отоплением одной верхней горелкой при подаче подогретого воздуха инжектором: а - продольный разрез колодца; 1 - крышка; 2 - механизм передвижения крышки; 3 - горелка; 4 -инжектор; 5 - керамический рекуператор с вертикальными трубами для подогрева воздуха; 6-металлический трубчатый петлевой рекуператор для подогрева инжектирующего воздуха; 7- поворотный клапан регулятора давления в колодце; 8 - отсечной шибер группы; 9 - газопровод; 10 - воздухопровод инжектирующего воздуха; 11 -летки для удаления шлака в сухом виде; 12 - каналы приточно-вытяжиой вентиляции
Нагреваемые слитки расположены только вдоль боковых стен. В торцевой стене на расстоянии 1-1,2 м расположен горелочный туннель, в котором газовое сопло. Воздух подается в керамический рекуператор, а затем по горячему вертикальному каналу поступает в горелочный туннель. В дымовом канале расположен металлический петлевой рекуператор для подогрева компрессорного воздуха. Между рекуператором и рабочей камерой расположен тамбур для отвода продуктов сгорания. В подине 2 летки для сухого шлакоудаления.
Колодцы этого типа объединяют в группы по два или по четыре. Каждый из колодцев группы работает совершенно самостоятельно.
На колодцах подогретый в керамическом рекуператоре воздух подают к горелке инжектором. Возможно, также подавать подогретый воздух с помощью жароупорного вентилятора. Однако в этом случае из условия стойкости вентилятора температура подогретого воздуха не может быть поднята выше 400° С.
Тепловая мощность одного колодца составляет 9,0-106 ккал/ч при массе садки около 140 т.
При подаче воздуха инжектором основное количество воздуха, необходимого для горения (85-90%). Подогрев воздуха перед горелками составляет при этом 750 °С. Если колодцы отапливают газом с теплотой сгорания менее 8,4 МДж/м3, то его подогревают в трубчатом металлическом рекуператоре до 250-300 °С.
Длина рабочего пространства колодцев с отоплением одной верхней горелкой равна 9,85 м, ширина 3,3 м, высота 4,7 м. Продольные стены рабочего пространства для большей прочности выполняют на анкерном креплении к каркасу и выпуклыми наружу. Стрела прогиба составляет 300 мм при длине стены около 10 м.
Крышки выполняют такой же конструкции, как и на колодцах с отоплением из центра подины. Колодцы рассматриваемого типа располагают в отделении длинной стороной рабочего пространства поперек пролета, поэтому крышки передвигают индивидуальными напольными кранами.
Шлак из колодцев с отоплением одной верхней горелкой удаляют в сухом виде с коксиком.
Технология сухого шлакоудаления. Подина засыпается коксиком. Коксиковая засыпка выдерживает 4-5 садок. После этого шлак удаляют через летки: открывают крышку, клещевой кран берет металлическую лопату и сгребает шлак в летки. Летка – под ней стоит шлаковый стакан засыпанный коксиком. Он открывается и шлак отвозится в цех переработки. Для удаления шлака используют коксовую мелочь, рассыпая ее слоем толщиной около 300 мм. На каждую заправку 5-5,5 т. Смена коксика производится через 3-4 нагрева. Наибольшее выгорание коксика для ее удаления, т.к. через стаканы просасывается воздух.
Пути совершенствования:
кокосик + доломит =20 садок;
радикальная мера – работа с накоплением шлака.
Проблема нагревательных колодцев с ОВГ: неравномерное температурное поле.
Для решения неравномерности температуры:
Импульсное отопление;
Установка качающейся горелки;
Отопление пульсирующем факелом;
Отражательные стены на выходе продуктов горения.
В схеме автоматического регулирования теплового режима предусматривают следующие основные узлы регулирования: температуры в рабочем пространстве; соотношения газ-воздух; давления в рабочем пространстве и отключения подачи газа при открывании крышки; падения давления газа, инжектирующего воздуха или сжатого воздуха в системе пневматических регуляторов и напряжения в электрической сети. В схеме предусмотрены также автоматический контроль и показывающие приборы.
С особенностями теплового расчета нагревательных колодцев можно ознакомится в [**, с. 115-132].

3 МЕТОДИЧЕСКИЕ ПЕЧИ

3.1 Общая характеристика печей

В методических печах обычно нагревают перед прокаткой заготовки толщиной 40-350 мм, шириной 40-1850 мм и длиной 1000-12000 мм с массой 50-40 000 кг, а в некоторых случаях слитки толщиной 300- 400 мм.
Обычно в методические печи сажают холодный металл. Горячий посад возможен только для рядовых сталей, для которых не нужна промежуточная зачистка, и в том случае, если заготовки можно направить непосредственно от обжимного или заготовочного стана в методическую печь. При передаче заготовки быстро остывают: через 1,5 ч после конца прокатки температура поверхности заготовок не превышает 350-400° С, а поэтому даже при благоприятных условиях количество заготовок с температурой поверхности 600-800° С обычно не превышает 30-35%.
При выборе температуры нагрева следует учитывать не только марку металла, но и ряд других факторов: технологию прокатки, тип стана, расстояние от печи до стана, сечение прокатываемого профиля, качество металла и т. д. Обычно температура нагрева рядовой стали при прокатке на сортовых станах равна 1200-1220° С, а на тонколистовых, где обжатие больше, 1230-1250°С. Для уменьшения усилия обжатия при прокатке температуру нагрева в ряде случаев принимают равной 1250-1280° С. Для заварки подкорковых пузырей в заготовках из кипящей стали, поступающих с установок непрерывной разливки, необходимы либо повышенная температура нагрева (1280-1300° С), либо увеличенное усилие обжатия.
В методических печах шагающего типа при одностороннем нагреве заготовки лежат на футерованных шагающих балках (печи с шагающим подом), а при двустороннем нагреве – на шагающих балках из водо-охлаждаемых труб (печи с шагающими балками). Используют также сочетание одностороннего и двухстороннего нагрева в так называемых комбинированных печах с шагающим подом и шагающими балками. В печах шагающего типа заготовки с сечением, близким к квадратному, укладывают с зазорами. Обычно отношение ширины зазора к ширине заготовки принимают равным 2-3, учитывая возможную кривизну заготовок. В результате при транспортировании заготовки не соприкасаются друг с другом и не скользят по подине, поэтому их поверхность не повреждается, а первоначально образовавшийся слой окалины не осыпается и защищает металл от дальнейшего окисления и обезуглероживания. Загрузка и выдача заготовок в этих печах независимы, и, следовательно, печи можно легко освобождать от заготовок для ремонта, а также выводить заготовки из зоны высоких температур при нерегламентированных остановках печи или стана. Укладка заготовок с раздвижкой повышает интенсивность и равномерность их нагрева. Печи шагающего типа не имеют ограничений по длине и ширине, т.е. по производительности.
Учитывая эти преимущества, в настоящее время для новых станов сооружают только печи шагающего типа, а толкательные только достраивают в существующих печных отделениях.
При транспортировании крупных заготовок и слябов в методических печах применяют торцевую загрузку и выдачу заготовок. В этом случае компоновка печи и стана наиболее проста.
В толкательных печах загрузку заготовок с рольганга загрузки осуществляют толкателем, а выдачу производят или по наклонным направляющим брусьям, так называемым склизам, или специальной машиной безударной выдачи. В толкательных печах при транспортировании заготовок шириной менее 120-150 мм трудно обеспечить строго поштучное сталкивание заготовок на рольганг выдачи, поэтому применяют боковую выдачу заготовок с помощью выталкивателя. Для мелкосортной квадратной заготовки сечением до 100–120 мм и длиной 9-12 м в толкательных печах применяют наклонный под, боковую загрузку и боковую выдачу с помощью выталкивателя или специальной машины выдачи.
В печах шагающего типа торцевую загрузку осуществляют клинкен-шлеппером, сталкивателем, непосредственно шагающими балками или специальной машиной загрузки. Торцевая выдача осуществляется непосредственно шагающими балками или специальной машиной выдачи.
Боковую загрузку и выдачу в печах шагающего типа производят по внутрипечным консольным рольгангам. С рольганга загрузки заготовки снимают непосредственно шагающими балками или сталкивателем, а на рольганг выдачи подают также шагающими балками или специальной машиной выдачи.


Рис. 3.1. Схемы методических печей: а - двухзонной; б - трехзонной без нижнего подогрева; в - трехзонной с нижним подогревом; г - то же, без монолитного пода; д - комбинированной с шагающим подом и шагающими балками; е - с пятью зонами отопления
3.2 Тепловой и температурный режимы.

Схема простейшей методической печи приведена на рис. 3.1, а. Топливо подводят с торца печи в одном, месте и сжигают непосредственно в рабочем пространстве. Проходя вдоль печи, продукты сгорания отдают тепло движущемуся навстречу металлу. При таком противоточном движении в рабочем пространстве глубоко используется тепло продуктов сгорания. Эта печь состоит из двух теплотехнических зон: сварочной - зоны нагрева, в которой сжигают топливо, и методической - зоны утилизации тепла продуктов сгорания, поступающих из сварочной зоны.

Для массивных заготовок более экономичен трехзонный режим нагрева. В этом случае заготовка из сварочной зоны поступает в томильную, в которой происходит выравнивание температур по сечению заготовки. Схема трехзонной печи приведена на рис. 3.1, б. При нагреве по трехзонному режиму до одинаковой конечной температуры верхней и нижней поверхности заготовки нужна печь меньшей длины, чем при нагреве по двухзонному режиму. При нагреве тонких заготовок нет необходимости в выравнивании температур по сечению. Однако и в этом случае удобнее для эксплуатации трехзонный режим нагрева, так как более низкая температура томильной зоны предупреждает перегрев, пережог и сваривание заготовок, позволяет точнее довести их температуру.

Рис. 3.2. Распределение температур печи и заготовки при двухзонном (пунктир) и трехзонном (сплошные линии) режимах нагрева: 1 - температура печи; 2,3 - температура верхней и нижней поверхностей заготовки (I- методическая зона; II - сварочная зона; III - томильная зона)
Приведена схема трехзонной методической печи с нижним подогревом, в которой благодаря двухстороннему обогреву заготовок длительность нагрева значительно меньше, чем в печи по схеме рис. 3.1, б. В сварочной зоне заготовки лежат на водоохлаждаемых подовых трубах, которые экранируют заготовки от печи и охлаждают их. В местах соприкосновения заготовок с подовыми трубами остаются холодные пятна. Для ликвидации этой дополнительной неравномерности температур заготовок необходима томильная зона с монолитным подом, а время пребывания металла в ней должно быть больше, чем в случае печи по схеме рис. 3.1, б. Чем тоньше заготовка, тем относительно больший объем занимают холодные пятна. При толщине заготовок менее 100-120 мм увеличение длительности выдержки в томильной зоне становится больше, чем сокращение длительности нагрева в сварочной зоне, а поэтому применение нижнего обогрева становится экономически нецелесообразным. На графике рис. 3.2 показано распределение температур печи и заготовок при двух- и трехзонном режимах нагрева. При нагреве по трехзонному режиму до одинаковой конечной температуры верхней и нижней поверхности заготовок нужна печь меньшей длины, чем при нагреве по двухзонному режиму.
Для повышения интенсивности нагрева устраивают сварочную зону из нескольких зон отопления с соответствующим сокращением длины методической зоны. В результате получают печи с высокой производительностью, но и с повышенным удельным расходом тепла. Схема современной печи с пятью зонами отопления приведена на рис. 3.1,г. Тепловую мощность печи, определенную по этим значениям удельных расходов тепла, следует увеличить на 20%, чтобы иметь возможность форсированно разогревать печь и перераспределять тепловую мощность по зонам. Для ориентировочных расчетов можно принимать, что тепловая мощность печи составляет 300 тыс. ккал на 1м2 активного пода печи.
При изменении производительности печи температура в томильной зоне и количество подаваемого в нее тепла практически остаются постоянными. В сварочной зоне температура может меняться лишь в сравнительно узких пределах между максимально возможной при данных условиях и минимально необходимой для получения заданной температуры нагрева, а подачу тепла меняют в соответствии с производительностью печи. В печах, где сварочная зона состоит из нескольких зон отопления, изменяют подачу топлива главным образом в тех зонах, которые расположены обычные эксплуатационные значения температур зон при нагреве рядового металла.
При нагреве легированных и качественных сталей температура томильной зоны обычно на 30-50 град, а сварочной на 100-130 град выше конечной температуры поверхности металла.
Однако температуру в зоне определяют не только в зависимости от необходимой температуры нагрева, но также и в зависимости от интенсивности работы печи, форсировки, топлива, конструкции горелок и самой зоны, стойкости кладки и т. д.
При нагреве некоторых сталей из-за опасности возникновения чрезмерно высоких температурных напряжений температура в начале печи должна быть не выше значений.
Чем дальше от начала печи находится зона отопления, тем меньше зависит количество подаваемого в нее топлива от производительности. Температура в начале методической зоны сильно меняется при изменении производительности.
В схеме автоматического регулирования теплового режима предусматривают следующие основные узлы регулирования: температуры в зонах; давления в томильной зоне; соотношения газ-воздух (в печах с горелками дутьевого типа). При установке металлических рекуператоров предусматривают автоматическую защиту его от перегрева путем сброса подогретого воздуха или разбавлением продуктов сгорания холодным воздухом. Подача газа автоматически прекращается при падении давления газа, воздуха или отключении питания приборов автоматического регулирования. В печах с инжекционными горелками применяют сигнализаторы проскока пламени в горелку.
Кроме того, контролируют температуру продуктов сгорания в начале печи, до и после рекуператоров; температуру подогрева газа и воздуха; давление в воздушных коллекторах печей с инжекционными горелками и разрежения в боровах.
3.3 Система отопления

Оптимальное топливо для методических печей – газообразное. Жидкое топливо применяют только при отсутствии газообразного.
Для методических печей характерен концентрированный подвод большого количества топлива через небольшое число горелок, которые должны быть расположены на ограниченной площади торцовых стен. Пределы регулирования количества топлива составляют 1 : 2,5ч1 : 3.
На рис. ХХХ-8 схематично показана печь, отапливаемая газом с теплотой сгорания 1800 ккал/м3. При отоплении газом с теплотой сгорания до 1400 ккал/м3 воздух подогревают до 500-600° С в рекуператоре из керамических блоков, а газ – до 250-350° С в металлическом трубчатом рекуператоре. При таком подогреве необходимый температурный потенциал можно обеспечить только применив инжекционные горелки типа П, которые позволяют благодаря быстрому сжиганию с коэффициентом расхода воздуха, близким к единице, получить в непосредственной близости от горелки область достаточно высоких температур.
На случай выхода из строя металлического рекуператора предусмотрен обводной боров. При сжигании газа с теплотой сгорания 1400-1800 ккал/м3 можно подогревать только воздух до 500-600° С. Подогрев газа применяют для уменьшения расхода топлива. В этом случае тепло продуктов сгорания, уходящих из керамического рекуператора, можно использовать также для получения пара в котлах-утилизаторах и для других целей. Преимуществами такой системы отопления при сжигании газа с теплотой сгорания до 1800 ккал/м3 является применение для подогрева воздуха керамического рекуператора, стойкость которого практически неограниченна, упрощением системы автоматического регулирования и отсутствием надобности в вентиляторах для подачи воздуха.
При отоплении методических печей мазутом применяют форсунки высокого давления с двойным распыливанием при подогреве воздуха в металлическом трубчатом рекуператоре. В случае применения для отопления одновременно газа и мазута желательно газ использовать для отопления томильной зоны.
По расположению горелок различают торцевую, сводовую и боковую системы отопления. Обычно применяют сочетание этих систем в зависимости от теплотехнических и конструктивных особенностей отдельных зон отопления печи. Схематично печь с сочетанием торцевой, сводовой и боковой систем отопления показана на рис. 3.3.
Наиболее распространенной является торцевая система отопления. При этой системе горелки располагают в торцах с наклоном к оси печи так, чтобы факел или высокотемпературная струя продуктов сгорания были направлены под небольшим углом к поверхности заготовок. Торцевая система отопления обеспечивает высокую интенсивность нагрева за счет удара струи в металл и создания у поверхности металла высокотемпературного потока продуктов сгорания, движущегося с большой скоростью навстречу движению заготовок.

Рис. 3.3 Схема печи с сочетанием торцевой, сводовой и боковой систем отопления: 1- торцевые горелки; 2- сводовые горелки; 3 - боковые горелки
Сводовое отопление осуществляется путем установки в своде печи радиационных (плоскопламенных) горелок. В этих горелках сгорание газа происходит в тонком слое на поверхности огнеупорной футеровки. При этом горелочный камень и прилегающая к нему кладка свода раскаляются и служат эффективным равномерным излучателем.
Наиболее целесообразно применение сводового отопления в томильной зоне, где главной задачей является равномерный нагрев заготовок и выравнивание температур по их сечению. Равномерное сводовое отопление обеспечивает высокое качество нагрева и исключает местный перегрев поверхности заготовок. Кроме того, при сводовом отоплении создается благоприятный гидравлический режим в томильной зоне, возможно поддерживать небольшое положительное давление на уровне пода печи и исключить подсосы холодного воздуха в рабочее пространство печи через окно выдачи, которые неизбежны при торцевом отоплении из-за инжектирующего действия горелок. С такими подсосами, вызывающими подстуживание заготовок перед самой выдачей, очень трудно бороться.
В печах с полностью сводовым отоплением в верхних зонах можно гибко менять тепловую нагрузку по длине печи в зависимости только от разбивки горелок на зоны регулирования. Можно даже организовать порядное регулирование подачи тепла. Таким образом, можно выбирать оптимальные тепловые и температурные режимы нагрева заготовок при изменяющихся условиях работы печи (различных марках стали и размерах заготовок, горячем и холодном посаде, меняющейся производительности и т.д.). Благодаря этому печи с полностью сводовым отоплением хорошо встраиваются в автоматизированные системы управления тепловым режимом печей. Кроме того, такие печи очень экономичны, так как при снижении производительности можно выключать ряды горелок со стороны посада заготовок и тем самым удлинять методическую зону, добиваясь наилучшего использования тепла продуктов сгорания. При полностью сводовом отоплении, однако, иногда возникают трудности с регулированием давления в рабочем пространстве печи.
Боковое отопление, особенно в широких методических печах, применяется только в тех случаях, когда по конструктивным условиям невозможно применить другие системы отопления, например, в нижних зонах отопления печей с шагающими балками (см. рис. 3.1, д) или толкательных печей с двусторонним нагревом по всей длине печи (см. рис. 3.1, г). Основным недостатком бокового отопления является невозможность обеспечить равномерность нагрева по ширине печи (по длине заготовок), при регулировании производительности. Поэтому даже в нижних зонах печей с шагающими балками стараются организовать торцевое отопление.
Наиболее глубокое использование тепла уходящих продуктов сгорания обеспечивает регенеративная система отопления, в которой используются регенераторы с керамической шариковой насадкой. При этой системе горелки, снабженные индивидуальными регенераторами, объединяют в блоки (не менее двух). Через один регенератор или их группу подают подогреваемый воздух (газ), а через другой или группу – отводят продукты сгорания.
Применение шариковой насадки обеспечивает возможность подогрева воздуха всего на 100-150 °С ниже температуры уходящих продуктов сгорания, т.е. до 1000-1100 °С. Коэффициент использования тепла при этом достигает значений 70-80 %, а экономия топлива может составлять 30-50 %. Система особенно эффективна при отоплении печи газом с низкой теплотой сгорания.
Из регенератора продукты сгорания выходят с температурой ниже 200 °С, что облегчает их транспортирование и делает нецелесообразным дальнейшую утилизацию тепла. Керамическая шариковая насадка служит хорошим фильтром для очистки продуктов сгорания от пыли, частиц окалины и т.д. Насадку легко заменять без остановки печи, а засоренная насадка промывается водой и может использоваться повторно. Перекидка регенератора осуществляется специальными клапанами, обеспечивающими срабатывание за несколько секунд и имеющими рабочий ресурс не менее 1 млн. перекидок.
Регенеративная система отопления может быть успешно применена для методических нагревательных печей. При этом регенераторы, встраиваемые в кладку или располагаемые с внешней стороны печи, могут быть установлены как в отдельных зонах, так и по всей печи. На рис. 3.4 показана установка регенеративных горелок в методической толкательной печи с шириной рабочего пространства 11,25 м.

Рис. 2.8. Поперечный разрез методической толкательной печи с регенеративными горелками: 1 - регенеративная горелка; 2 - подвод газа; 3 - подвод воздуха и отвод продуктов сгорания
В схеме автоматического регулирования теплового режима предусматривают следующие основные узлы регулирования: температуры в зонах; давления в томильной зоне; соотношения газ-воздух (в печах с горелками дутьевого типа). При установке металлических рекуператоров предусматривают его автоматическую защиту от перегрева путем сброса подогретого воздуха или разбавлением продуктов сгорания холодным воздухом. Подача газа автоматически прекращается при падении давления газа, воздуха или отключении питания приборов автоматического регулирования. В печах с инжекционными горелками применяют сигнализаторы проскока пламени в горелку.
Кроме того, контролируют температуру продуктов сгорания в начале печи, до и после рекуператоров; температуру подогрева газа и воздуха; давление в воздушных коллекторах печей с инжекционными горелками и разрежения в боровах.



3.4 Основные типы методических печей

Примеры наиболее распространенных конструкций печей приведены на рис. 3.5 –, а технические характеристики этих печей в табл. 2.5.
На рис. 3.5 показана двухзонная толкательная печь проволочного стана 280 Череповецкого металлургического комбината "Северсталь". Печь с наклонным подом без нижнего обогрева имеет боковую загрузку и выдачу. Наклонный под имеет криволинейный участок (т.н. лекальный под). Печь отапливается природным газом с помощью дутьевых горелок. Воздух для горения подогревается в металлическом трубчатом рекуператоре.
На рис. 3.6 показана двухзонная толкательная печь проволочного стана 250-1 Западно-Сибирского металлургического комбината. Печь с наклонным подом без нижнего обогрева имеет боковую загрузку и выдачу с помощью машины поштучной выдачи. Печь отапливается смешанным коксо-доменным газом с помощью инжекционных горелок. Воздух для горения подогревается в керамическом рекуператоре и подается к горелкам с помощью жароупорного вентилятора.
На рис. 3.7 показана трехзонная толкательная печь среднесортного стана 2300 металлургического завода им. Ленина (НРБ). Печь с нижним обогревом имеет торцевую загрузку и выдачу по наклонным направляющим брусьям. Печь отапливается доменным газом с помощью инжекционных горелок. Воздух для горения подогревается в керамическом рекуператоре, а газ – в металлическом трубчатом рекуператоре.
На рис. 3.8 показана трехзонная толкательная печь, спроектированная для металлургического завода в Республике Ирак. Печь с нижним обогревом имеет торцевую загрузку и боковую выдачу. Печь отапливается мазутом с помощью форсунок высокого давления.
На рис. 3.9 и 3.10 показаны соотвественно четырехзонная и пятизонная печи тонколистовых станов 1700 Мариупольского и Карагандинского металлургических комбинатов. Печь с нижним обогревом имеет торцевую загрузку и выдачу по наклонным направляющим брусьям. Печи отапливаются смешанным коксодоменным газом с помощью инжекционных горелок. Воздух для горения подогревается в керамическом рекуператоре.
На рис. 3.11 показана пятизонная толкательная печь тонколистового стана 2000 Новолипецкого металлургического комбината. Печь с нижним обогревом имеет торцевую загрузку и выдачу с помощью машины безударной выдачи. Печь отапливается смешанным природнодоменным газом с помощью дутьевых горелок.
.
Рис. 3.5 – Методическая толкательная печь с боковой загрузкой и выдачей, без нижнего обогрева, отапливаемая с помощью дутьевых горелок при подогреве воздуха в металлическом трубчатом рекуператоре: 1 рекуператор; 2 толкатель; 3 желоб гидросмыва окалины-4 отбойник; 5 ложное окно (Череповецкий металлургический комбинат "Северсталь", стан 280).

Рис. 3.6. Методическая толкательная печь с боковой загрузкой и выдачей, без нижнего обогрева, отапливаемая с помощью дутьевых горелок при подогреве воздуха в керамическом рекуператоре: 1толкатель; 2летка для уборки окалины; 3желоб гидросмыва окалины; 4машина поштучной выдачи; 5рольганг выдачи; 6ложное окно; 7отбойник (Западно-Сибирский металлургический комбинат, стан 250-1)


Рис. 3.7. Методическая толкательная печь с торцевой загрузкой и выдачей, с нижним обогревом, отапливаемая с помощью инжекционных горелок: 1 рольганг загрузки; 2 толкатель; 3 механизм для освобождения монолитного пода от заготовок; 4 механизм открывания заслонки окна выдачи; 5 рольганг выдачи; 6 отбойник; 7 подовые трубы; 8 подовые брусья; 9 устройство для гидросмыва окалины; 10 лоток для смыва окалины из-под рольганга; 11 водоохлаждаемые экраны (НРБ, Металлургический завод им. Ленина, стан 2300)


Рис. 3.8 Методическая толкательная печь с торцевой подачей и боковой выдачей



Рис. 3.9. Методическая толкательная печь с торцевой загрузкой и выдачей, с нижним обогревом, отапливаемая с помощью инжекционных горелок, установленных в четырех зонах отопления: 1 рольганг выдачи; 2механизм для освобождения монолитного пода от заготовок; 3 отбойник; 4 ложное окно (Мариупольский металлургический комбинат им. Ильича, стан 1700)


Рис 3.10. Методическая толкательная печь с торцевой загрузкой и выдачей, с нижним обогревом, отапливаемая с помощью инжекционных горелок, установленных в пяти зонах отопления: 1 рольганг загрузки; 2толкатель; 3 рольганг выдачи; 4механизм для освобождения монолитного пода от заготовок; 5 механизм открывания заслонки окна выдачи; 6отбойник; 7ложное окно; 8летка для удаления шлака; 9 желоб гидросмыва окалины; 10 лоток для смыва окалины из-под рольганга (Карагандинский металлургический комбинат, стан 1700).


Рис. 3.11. Методическая толкательная печь с торцевой загрузкой и выдачей, с нижним обогревом, отапливаемая с помощью дутьевых горелок, установленных в пяти зонах отопления: 1 рольганг загрузки; 2 рольганг выдачи; 3машина безударной выдачи (Новолипецкий металлургический комбинат, став 2000)

Воздух для горения подогревается в керамическом рекуператоре и подается к горелкам с помощью жароупорного вентилятора.
На рис. 3.12 показана толкательная печь крупносортно-заготовочного стана 1000/850/630 Волгоградского металлургического завода "Красный Октябрь". Печь с нижним обогревом имеет торцевую загрузку и выдачу с помощью машины безударной выдачи. В печи нет монолитной подины, а имеется нижняя томильная зона с боковым отоплением. Печь отапливается природным газом с помощью дутьевых горелок. Воздух для горения подогревается в металлическом трубчатом рекуператоре.
На рис. 3.13 показана печь с шагающим подом мелкосортного стана 25( Челябинского металлургического комбината. Печь имеет торцевую загрузку шлеппером и боковую выдачу по внутрипечному консольному рольгангу с помощью машины поштучной выдачи. В печи две группы шагающих балок по три балки в каждой группе. Привод балок гидравлический. Вертикаль ный ход балок 200 мм, горизонтальный 150-200 мм, цикл шагания 26-30 с. Печь отапливается смешанным коксодоменным газом с помощью дутьевых горелок. Воздух для горения подогревается в металлическом трубчатом рекуператоре.
На рис. 3.14 показана печь с шагающим подом мелкосортно-проволочно го стана 250 Молдавского металлургического завода. Печь имеет боковую загрузку и выдачу по внутрипечным консольным рольгангам. С рольганг загрузки заготовки передаются на балки сталкивателем, а на рольганг выдачи укладываются шагающими балками. В печи имеются четыре шагающш и три стационарные балки. Привод балок гидравлический. Вертикальный ход балок 200 мм, горизонтальный 200-250 мм, цикл шагания 40 с. Печь отапливается природным газом с помощью сводовых радиационных горелок. Воздух для горения подогревается в воздухонагревателе котла-утилизатора.
На рис. 3.15 показана комбинированная печь с шагающим подом и шагающими балками проволочного стана 250-1 Криворожского металлургического комбината. Печь имеет боковую загрузку и выдачу по внутрипечным консольным рольгангам. С рольганга загрузки заготовки передаются на балки сталкивателем, а на рольганг выдачи укладываются машиной поштучно» выдачи в два ручья. В печи имеются четыре шагающие и пять стационарных балок. Привод балок гидравлический. Вертикальный ход балок 200 мм горизонтальный 200-300 мм, цикл шагания 30 с. Печь отапливается смешанным природно-коксодоменным газом, в верхних зонах применено сводовое отопление плоскопламенными горелками. Воздух для горения подогревается в воздухонагревателе энерготехнологического котла.

Рис 3.12 . Методическая толкательная печь с торцевой загрузкой и выдачей. (Волгоградский металлургический завод «Красный Октябрь», стан 1000/850/630)



Рис. 3.13. Методическая печь с шагающим подом, с торцевой загрузкой и боковой выдачей: 1 загрузочный шлеппер; 2 внутрнпечной рольганг выдачи; 3 машина поштучной выдачи (Челябинский металлургический комбинат, стан 250)



Рис.3.14. Методическая печь с шагающим подом с боковой загрузкой и выдачей: 1 ось рольганга загрузки; 2 ось рольганга выдачи (Молдавский металлургический завод, стан 250)




Рис. 2.19 Методическая комбинированная печь с шагающим подом и шагающими балками: 1 ось окна загрузки; 2ось окна выдачи; 3 сводовые горелки; 4 боковые горелки (Криворожский металлургический комбинат, стан 250-1)

3.5. Рабочее пространство методических печей

Внутренняя ширина рабочего пространства определяется максимальной длиной нагреваемых заготовок. Расстояние между рядами заготовок и от концов заготовок до боковых стен печи составляет 200-300 мм.
В начале печи при отводе продуктов сгорания вниз рабочее пространство расширяют так, чтобы пропустить продукты сгорания в зазор между концами заготовок и стенами печи со скоростью 2-2,5 м/с.
Высота рабочего пространства равна при торцевом отоплении 2,6-3 м в торцах сварочных зон и 0,7-0,8 м в пережимах , а при сводовом отоплении --1,5-1,7 м.

3.6 Подовые трубы и система водоснабжения


Рис. 2.33. Установка рейтера: 1 - рейтер из высокохромистого сплава; 2 - основание из хромоникелевой стали; 3-подовая труба или шагающая балка
Нагреваемый металл проталкивают по пруткам диаметром 20 мм, приваренным к продольным подовым трубам; поперечные трубы служат опорой для продольных. Между собой продольные и поперечные трубы не сваривают. Башмаки под продольные и поперечные трубы отливают из стали Х28Л. У торца загрузки над проемами для отвода продуктов сгорания продольные трубы обычно опирают на змеевик. Продольные трубы прикрепляют к фундаменту печи через опорный сляб. Это позволяет разгрузить каркас печи от горизонтальной нагрузки при проталкивании заготовок. С этой целью возможно также соединение продольных труб и фундамента толкателя с помощью тяг.
Охлаждение подовых труб может быть водяное или испарительное с давлением пароводяной смеси до 50 aт. Подовые трубы для водяного охлаждения изготовляют из стали Ст3, для испарительного охлаждения – из стали 20, в особых случаях из стали 5 ХМ.
Продольные и поперечные подовые трубы изолируют термоблоками, а стояки поперечных труб фасонным хромомагнезитовым кирпичом.

4 КОЛЬЦЕВЫЕ ПЕЧИ


Рис. 4.1. Кольцевая печь с наружным диаметром пода 10 м: 1 - окно загрузки; 2 - окно выдачи; 3 - дымопровод; 4 -направление вращения пода
Кольцевые печи применяют для нагрева заготовок, форма которых неудобна для транспортирования в проходных печах других типов: фигурные изделия, изделия с круглым или прямоугольным поперечным сечением, но небольшой длины. Кольцевые печи иногда применяют и для нагрева листа, если по местным условиям в цехе трудно расположить проходную печь другого типа. Кольцевые печи устанавливают главным образом для нагрева металла перед трубопрокатными станами (при диаметре заготовки более 200 мм), колесопрокатными станами и прессами для обработки цветных металлов.
В печах этого типа возможен нагрев заготовок до температуры 1250-1300° С.
Пример конструкции печи с наружным диаметром пода около 10 м приведен на рис. 4.1, а печи большого размера на рис. 4.2. Каркас печи состоит из ряда радиальных рам. В нижней части стоек расположены кронштейны, к которым крепят сегменты литых угольников для опирания наружной и внутренней кольцевых стен, а также для крепления одного из ножей затворов. Фундамент печи представляет собой кольцевые стены для установки стоек каркаса, опоры для установки узлов механизмов вращения пода и приямков под печью для обслуживания механизмов и затворов.
Тепловой режим кольцевых печей может быть камерным, как и у большинства проходных печей. Крупные кольцевые печи трубо- и колесопрокатного производства работают по методическому режиму и состоят из неотапливаемой, подогревательной (методической), нагревательной (сварочной) зон и зоны выравнивания температур (томильной). Однако и при методическом режиме на кольцевых печах сожигательные устройства устанавливают на боковых стенах, а не на поперечных горелочных торцах, как на методических печах. Это позволяет в довольно широких пределах менять относительную длину зон и температурный режим печи в зависимости от условий работы. Поэтому кольцевые печи - более гибкий нагревательный агрегат, чем методические печи, даже с многочисленными зонами отопления.

Рис. 3.42. Кольцевая печь с наружным диаметром пода 20 м: 1 - окно загрузки; 2 - окно выдачи; 3 - дымопровод; 4 - направление вращения пода
Для отопления кольцевых печей пригодно как газообразное топливо, так и мазут. Конструкцию кольцевых печей трудно увязать с керамическим рекуператором. Поэтому обычно применяют: металлические рекуператоры, тем более что, в большинстве случаев надобности в высокотемпературном подогрев компонентов горения нет. При работе (подогрева воздуха целесообразно применять инжекционные горелки, а при подогреве горелки типа «труба в трубе»). При отоплении мазутом используют форсунки высокое давления. При ширине пода печи до 3,5м горелки или форсунки устанавливают только на наружной стене. Горелки располагают тангенциально так, чтобы факелы были направлены навстречу движению метал. При ширине пода 4,5м и более сожигательные устройства устанавливают на наружно и внутренней стенах радиально. Тепловую мощность печей, работающих при камерном режиме, принимают такой же, как и у других типов проходных печей, а при методическом режиме и нагреве стали до 1250° С - около 100-103 ккал/ч на 1 м2 площади габаритно пода.
При распределении тепловой мощно по зонам такой печи принимают запас порядка 15-20%, что позволяет перераспределять подвод тепла в каждой зоне. Тепловая мощность томильной зоны составляет обычно 15-20%, а сварочной 85-80%.
При нормальной загрузке удельный расход топлива печей с рекуператорами доля составлять 400-500 ккал/кг, а печей рекуператоров 800 ккал/кг.
Размеры печей определяют исходя из того, что напряжение габаритного пода печи обычно составляет 150-200 кг/(м2*ч) при нагреве стали до 1250° С удельная продолжительность нагрева равна 5,5 - 10 мин/см.
Для отопления кольцевых печей пригодно как газообразное топливо, так и мазут. Конструкцию кольцевых печей трудно увязать с керамическим рекуператором. Поэтому обычно применяют: металлические рекуператоры, тем более что, в большинстве случаев надобности в высокотемпературном подогрев компонентов горения нет. При работе (подогрева воздуха целесообразно применять инжекционные горелки, а при подогреве горелки типа «труба в трубе»). При отоплении мазутом используют форсунки высокое давления. При ширине пода печи до 3,5м горелки или форсунки устанавливают только на наружной стене. Горелки располагают тангенциально так, чтобы факелы были направлены навстречу движению метал. При ширине пода 4,5м и более сожигательные устройства устанавливают на наружно и внутренней стенах радиально. Тепловую мощность печей, работающих при камерном режиме, принимают такой же, как и у других типов проходных печей, а при методическом режиме и нагреве стали до 1250° С – около 100-103 ккал/ч на 1 м2 площади габаритно пода.
При распределении тепловой мощно по зонам такой печи принимают запас порядка 15-20%, что позволяет перераспределять подвод тепла в каждой зоне. Тепловая мощность томильной зоны составляет обычно 15-20%, а сварочной 85-80%.
При нормальной загрузке удельный расход топлива печей с рекуператорами доля составлять 400-500 ккал/кг, а печей рекуператоров 800 ккал/кг.
Размеры печей определяют исходя из того, что напряжение габаритного пода печи обычно составляет 150-200 кг/(м2*ч) при нагреве стали до 1250° С удельная продолжительность нагрева равна 5,5 - 10 мин/см.

5 Камерные печи

Камерные печи в основном применяются для термообработки, нагрев под ковку, штамповку.

5.1 Печи с выдвижным подом


Рис. 5.1 Камерная печь с выдвижным подом
В некоторых прокатных и кузнечных цехах для нагрева слитков применяют печи с выдвижным подом, одна из которых представлена на рис. 5.1. Металл в такой печи может нагреваться до 1100-1300° С или догреваться от 600 до 1300° С. В качестве топлива применяют мазут, генераторный или смешанный газ. Печь оборудована регенераторами для подогрева воздуха до 600-800°С. Объем регенеративной насадки на 1 м2 площади пода составляет 0,75- 1,0 м3.
Для сжигания газа применяют горелки низкого давления, расположенные в два ряда на продольных стенах печи в шахматном порядке. Масса садки колеблется от 120 до 200 т. Удельный расход тепла при нагреве металла от 0 до 1200° С составляет 4600-5030 кДж/кг, а при догреве от 600 до 1100° С он равен 23003000 кДж/кг.
В печах подобного вида значительное количество тепла расходуется на нагрев кладки, поэтому пусковая тепловая мощность печи должна достигать 186-326 кДж на 1 м2 площади пода печи.
Выкатная подина печи перемещается на специальных катках, соединенных в две обоймы. Поскольку подина перемещается по каткам быстрее, чем сами катки, длина обоймы должна быть больше длины подины (обычно в 1,5 раза).
Печи подобной конструкции в настоящее время применяют исключительно для нагрева очень крупных слитков.
Недостаток: неустойчивая работа горелок из-за их большого количества и малого расхода топлива на каждую. Радикальный способ – работа по принципу «открыто – закрыто». Предельная температура рабочего пространства 1320-1350°С.

5.2 Камерные печи со стационарным подом

Камерные печи со стационарным подом могут работать по непрерывному и периодическому режимам. В печах непрерывного действия поддерживается постоянная температура рабочего пространства и режим нагрева одноступенчатый. В печах с периодическим режимом нагрев осуществляется садками обычно по 2-хступенчатому режиму. В данных печах греют заготовки S=80-100 мм, L=1,2-1,5 м(под ковку) и S=20-30 мм(под штамповку). Отапливается природным газом, мазутом.


6 ПРОХОДНЫЕ ПЕЧИ

6.1 Общая характеристики проходных печей

Проходные печи применяют для нагрева различных штучных изделий: сутунок, пакетов и других видов листовых, трубных и колесных заготовок, слитков и заготовок из цветных металлов и сплавов перед обработкой давлением, листов, рельсов, рулонов ленты, мотков проволоки, бунтов сортового проката, труб и различных изделий сложной формы для термической обработки.
Температура нагрева в проходных печах зависит от их технологического назначения. Температура нагрева перед обработкой давлением изделий из цветных металлов и сплавов составляет 350-950°С, а из стали 900-1200° С; температура нагрева для термической обработки стальных изделий равна: отпуск 400-700°С, изотермическая выдержка 500-600°С, отжиг 700-800°С, закалка и нормализация 800-950°С, отжиг легированных сталей 900-1180°С.
Тепловой режим проходных печей – постоянный во времени и переменный по длине. Температурный режим – одинаковая температура в каждом поперечном сечении, а по длине печи – либо одинаковая, либо переменная. Такой тепловой и температурный режимы легче всего осуществить при распределении многочисленных сравнительно небольших источников тепла по длине печи (главным образом на продольных стенах, а в ряде случаев на своде и поде).
Методы транспортирования металла через печь выбирают в зависимости от вида изделий и температуры нагрева: на печных роликах, цепных конвейерах, подвижных балках, проталкивание по подовым брусьям без поддонов и на поддонах, на вращающемся поде.
Внутренняя ширина рабочего пространства печи на 300-600 мм больше ширины нагреваемого изделия. Высота рабочего пространства от поверхности металла до стрелки свода у печей шириной до 1,5 м составляет 600-900 мм, а у печей шириной более 1,5 м равна 1-1,5 м. Глубина печей с роликовым подом от верха роликов до поверхности кладки пода равна 900-1200 мм.

6.2 Системы отопления проходных печей

Для отопления проходных печей применяю самое разнообразное топливо: газы (от природного до доменного) и мазут.
При отоплении газом для этих печей в большинстве случаев наиболее целесообразно применять инжекционные горелки с инжекцией воздуха газом. При постоянном тепловом режиме печи ограниченные пределы регулирования инжекционных горелок приемлемы. При большом числе горелок (иногда несколько сотен) желательно избегать системы воздухопроводов, наличие которых чрезмерно усложняет конструкцию печи затрудняет обслуживание. Внутренняя футеровка газопроводов малого диаметра, невозможна, а наружная изоляция нежелательна, так как затрудняет обнаружение не плотностей газопроводов. В результате подогретый газ по пути от рекуператора до горелок теряет много тепла через большую поверхность сильно разветвленной системы газопроводов. Поэтому применение подогретого газа часто бывает нерентабельным и в большинстве случаев проходные печи отапливают холодным газом.
В современных печах с целью экономии топлива, несмотря на усложнение конструкции печи, стремятся применять дутьевые горелки с рекуперативным подогревом воздуха для горения. При относительно низких температурах печи применяют дутьевые горелки, устойчиво работающие при повышенных и переменных коэффициентах избытка воздуха: ПИВ, ПИВС, ГТПЦ, ДШ и др. . Эти горелки применяют как для непосредственного отопления рабочего пространства печи, так и в составе различного рода циркуляционных систем.
На проходных печах с прямым газовым отоплением (на примере печи с роликовым подом и инжекционными горелками) горелки располагают на боковых стенах над и под нагреваемым металлом, стараясь разместить их в шахматном порядке, чтобы создать циркуляцию продуктов сгорания и повысить равномерность температур в рабочем пространстве печи. В зависимости от местных условий горелки могут быть расположены только на одной стене или только над металлом. В печах с большой шириной рабочего пространства нередко применяют установку горелок в своде, а иногда и в поду.
В электрических печах сопротивления нагреватели размещают на боковых стенах, а при необходимости на своде и поду печи.
Необходимость быстро переходить на отопление газом с другой теплотой сгораний; низкотемпературный нагрев при отоплении газом; нагрев до сравнительно высоких температур, но при отоплении мазутом; особо равномерный нагрев при больших размерах печи; проведение в одной печи различных технологических операций, связанных с резко различными температурами нагрева; нагрев для термической обработки в контролируемой атмосфере.
Для печи с роликовым подом, предназначенной для подогрева листового металла до 1100°С и отапливаемой смешанным (коксовый и доменный) газом с теплотой сгорания 1400 ккал/м3, применили подогрев воздуха до 400°С в металлическом трубчатом рекуператоре, общем для всей печи. При установке металлического рекуператора со значительным сопротивлением по пути воздуха было необходимо применить горелки типа «труба в трубе».
Горелки типа «труба в трубе» применяют также в тех случаях, когда печь необходимо попеременно отапливать газом с различной теплотой сгорания: например, коксовым и природным газом. В этом случае достаточно переменить только газовые сопла в горелках типа «труба в трубе». При установке же инжекционных горелок переход на другой вид топлива приводит к существенному изменению тепловой мощности горелок.
При низкотемпературном нагреве (до температуры ниже 600° С) обычно применяют подподовые топки. Тип горелки выбирают в зависимости от располагаемого давления газа и необходимых пределов регулирования.



6.3 Печи с роликовым подом

Печи с роликовым подом широко используются для нагрева и термической обработки металла. Большим достоинством этих печей является то, что они хорошо компонуются в непрерывном потоке производства.
По роликам через печи можно транспортировать самые разнообразные изделия: листы, пачки листов, трубы, рельсы, прутки, а также рулоны ленты и бунты проволоки с применением поддонов и без них. При продольном перемещении длинномерных изделий возможно их многоручьевое транспортировка.
Печи с роликовым подом при соответствующем конструктивном оформлении можно использовать в диапазоне рабочих температур от 500 до 1200°С. Печь с роликовым подом легко компоновать в непрерывном потоке производства.
Конструкция печи весьма проста. Поперечное сечение рабочего пространства одинаковое по всей длине печи.
Наиболее сложный участок кладки и каркаса печи – роликовый пояс. Обычно кладку вокруг роликов выполняют из фасонного кирпича, который при смене роликов можно разбирать, не разрушая остальной кладки, для этого на печах с арочным сводом пяту свода устанавливают на опоре, прикрепленной к каркасу. Положение кирпичей роликового пояса следует фиксировать, так как при температурном расширении и сжатии они могут быть смещены и станут давить на вал ролика. Фиксируют кирпичи с помощью специальных упоров, прикрепляемых к облицовочным плитам или стойкам каркаса.
Для печей с роликовым подом шаг стоек каркаса выбирают кратным шагу роликов, так как при этом достигают максимальной унификации всех деталей и элементов печи. Шаг стоек принимают в пределах 1200-1500 мм. Облицовку каркаса обычно выполняют из стальных плит.
Продукты сгорания из сравнительно коротких печей (10-20 м) можно отводить с одной стороны, а из печей большей длины – желательно делать проемы для отвода продуктов сгорания у каждого торца. В печах длиной в несколько десятков метров и большой тепловой мощности несколько проемов по длине печи, делают по несколько проемов по длине печи.
Конструкция печей для термической обработки шириной около 3 м и выше сложнее. В этом случае устанавливают горелки в своде, а сам свод делают подвесным. Для удобства смены роликов значительной длины верхнюю часть пространства проектируют из отдельных съемных секций с уплотнениями секциями. Сняв секцию над соответственным роликом, его можно сменить с помощью мостового крана сверху. Поэтому широких печей каркас весьма сложная металлическая конструкция, которая должна быть прочной и жесткой.

Рис. 6.1. Проходная печь с роликовым подом для подогрева круглых заготовок перед прокаткой: 1 роликовый под; 2 смотровой лючок; 3 дымоотвод; 4 горелка ГНП; 5 съемная секция свода

При нормализации листов после нагрева необходимо провести замедленное охлаждение металла. В этих случаях печи с роликовым подом снабжают камерой замедленного охлаждения. Здесь применены камеры с тонкой футеровкой и съемными секциями свода.
При отжиге легированной стали необходимо быстрое охлаждение, которое в случае листов толщиной примерно до 10 мм проводят в душирующей установке, а в случае более толстых листов – в специальной закалочной машине, где листы охлаждают водой в зажатом состоянии, что предотвращает их коробление.
В печах с роликовым подом часто применяют атмосферу контролируемого состава (защитную атмосферу), так как эти печи хорошо поддаются уплотнению. Для футеровки термических печей широко используются волокнистые, легковесные и ультралегковесные керамические материалы. Ролики в зависимости от температуры печи выполняют с водоохлаждае-мой цапфой или без охлаждения.
При высокотемпературной темной термообработке для нагрева металла обычно применяют открытое отопление горелками, расположенными в боковых стенах или в своде печи. Для предотвращения местного перегрева металла горелки располагают так, чтобы факел не попадал на нагреваемые изделия.

Рис. 6.2. Печь с роликовым подом для нагрева рельсов под закалку: 1 направление движения рельсов; 2 камера выдачи
На рис. 6.2, а показана печь с роликовым подом для нагрева рельсов под закалку в условиях Нижнетагильского металлургического комбината. Рельсы из стали Р50 длиной 25 м нагревают до 860 °С. Печь отапливают смешанным коксодоменным газом (теплота сгорания 6,7 МДж/м3) с помощью дутьевых горелок типа ДНС и ДНМ, установленных в боковых стенах выше и ниже уровня металла. Отвод продуктов сгорания производится вниз через многочисленные дымоотводы. Рельсы транспортируются с помощью гладких роликов с водоохлаждаемой цапфой. Для удобства смены роликов свод печи выполнен из отдельных съемных секций.

Поскольку рельсы нужно выдавать из печи и подавать в закалочное устройство по одному с возможно меньшей разницей температур по длине, предусмотрена особая конструкция рабочего пространства печи: камера выдачи имеет длину, несколько большую длины рельса (для данной печи 30 м), а выдача из камеры производится вбок через продольную щель в одной из стен специальной машиной.

6.4 Секционные печи

В секционных печах повышенную скорость нагрева получают путем поддержания в рабочем пространстве температуры 1350-1500° С и создания условий для равномерного поступления тепла ко всем частям поверхности нагреваемого изделия. Наиболее просто получить равномерный обогрев для изделий круглого поперечного сечения: круглые заготовки диаметром до 200мм и трубы. В случае изделий прямоугольного или сложного поперечного сечения равномерный нагрев граней и углов получить труднее. Секционные печи нецелесообразно применять для режимов с длительной выдержкой, так как при этом длина печи будет чрезмерно велика. При нагреве круглой заготовки диаметром до 150 мм удельная продолжительность нагрева составляет 1,0-1,5 мин/см, а при нагреве труб до температуры 750-1150°С равна 2,0-3,0мин/см. Секционные печи работают в тяжелых температурных условиях, а поэтому печь составляют обычно из нескольких отдельных секций, каждую из которых, в случае выхода из строя, можно заменить новой при кратковременной остановке печи.
Секционная печь (рис. 6.3) состоит из нескольких секций и соединяющих их тамбуров. В секциях установлены горелки, а в тамбурах ролики, которыми транспортируют нагреваемое изделие через печь в один или два ряда (ручья). Ролики – профилированные и установлены под углом к оси печи, благодаря чему изделие при движении вращается вокруг своей оси, что позволяет нагревать его равномерно. В агрегатах для закалки труб с кольцевым брызгальным устройством изделия транспортируют с помощью колес, так как в этом случае желательно для равномерности нагрева и охлаждения более быстрое вращение изделия.

Рис. 6.3, а. Секционная печь с колесным рольгангом для нагрева труб под закалку i нормализацию: 1 направление движения труб

В секционных печах необходимо интенсивное сжигание топлива в сравнительно небольшом объеме рабочего пространства. Поэтому наиболее целесообразно отапливать печи газом с высокой теплотой сгорания (природный или коксовый газ) с помощью радиационных горелок. Такая схема отопления получила наибольшее распространение в зарубежной практике. В отечественной практике большинство печей отапливают с помощью горелок улучшенного смешения, которые наряду с интенсивным сжиганием позволяют осуществить регулирование подачи топлива в пределах 1:4ч1:6. В каждой секции в зависимости от ее размера устанавливают две или четыре горелки, расположенные тангенциально к поверхности кладки.

Рнс. 6.3, б. Секция секционной печи с колесным рольгангом: 1 горелки ГНП; 2 - люк для удаления окалины
Продукты сгорания из секции целесообразно отводить из средней части вихря, где их температура наиболее низка. Поэтому в большинстве случаев продукты сгорания отводят в тамбуры через проемы для прохода металла в торцах секций. Из тамбуров продукты сгорания отводят либо вверх, либо вниз.
При отоплении печей газом с высокой теплотой сгорания нет надобности подогревать воздух для получения необходимой калориметрической температуры. Рекуператоры могут быть применены только для подогрева воздуха с целью уменьшения расхода топлива. Однако при установке рекуператоров затруднена смена вышедших из строя секций. Рекуператор должен работать при высокой температуре продуктов сгорания, поэтому необходима специальная защита его от перегрева. Во многих отечественных проектах применены рекуператоры из стальных трубок, залитых в чугунную отливку, установленные непосредственно на печи и защищенные пред включенным испарительным витком. Температура подогрева воздуха на практике не превышает 200° С. Таким образом, использование тепла продуктов сгорания в печи сравнительно низкое, а длительность срока службы рекуператоров даже при их защите невелика. Более целесообразно применение радиационных рекуператоров, расположенных в стороне от печи или над каждой из секций. Однако применение рекуператора любого типа усложняет конструкцию и эксплуатацию печей, работающих и так очень напряженно, и может быть оправдано только при необходимости отапливать печи газом с низкой теплотой сгорания.

Рнс. 6.3, в. Тамбур секционной печи с колесным рольгангом: 1 - привод колесного рольганга; 2 - колеса рольганга; 3 - люк для удаления окалины; 4 - дымоотвод
В зарубежной практике удельный расход топлива при термической обработке (нагрев до 750-950°С) составляет 450-500 ккал/кг, а при нагреве под прокатку (до 1100-1200°С) – 700-800 ккал/кг. В печах отечественной конструкции из-за применения горелок улучшенного смешения вместо радиационных, отопления газом с низкой теплотой сгорания и осложнений в использовании рекуператоров удельный расход тепла при термической обработке составляет 600ч900 ккал/кг, а зачастую достигает 1500 ккал/кг. В нагревательных печах расходы еще более высоки.
В большинстве случаев автоматически управление тепловым режимом состоит в регулировании подачи топлива в каждую зону, состоящую из четырех восьми секций, по температуре кладки одной из секций. Распределяют подачу топлива между секция - вручную. Давление в зоне регулируют по давлению в одной из секций. При установке горелок улучшенного смешения регулируют соотношение газ–воздух. Предусматривают автоматическую отсечку подачи топлива при падении давления газа, воздуха, изменении параметров рабочей среды регуляторов подачи электрической энергии для питания электродвигателей роликов. Кроме этого, предусматривают контроль работы рекуператоров, испарительных витков и параметров топлива.
Внутренние поперечные размеры рабочего пространства секции обычно на 400–600 мм больше размеров нагреваемого изделия и двух изделий, расположенных рядом.
Длину секции выбирают в зависимости от длины нагреваемого изделия, которое должно лежать не менее чем на двух роликах. Длину секции трудно сделать менее 800 мм: Длина тамбура обычно составляет около 350 мм. Поэтому в секционных печах можно нагревать заготовки длиной не менее 2,5 м. Однако, и при значительно большей длине заготовки длину секции принимают не более 500-1750 мм, так как более длинные секции сложнее менять.
6.5 Протяжные печи

Протяжные печи предназначены для термической и термохимической обработки полосы, которую непрерывно протягивают через агрегат. Благодаря непрерывности работы и обработке развернутой полосы эти печи удобно встраивать в общий непрерывный поток рулонного производства листового металла, а качество продукции, обработанной в них, более однородно, чем качество продукции, обработанной в рулонах.
Для протяжных печей характерен обычный для непрерывных печей тепловой и температурный режим постоянный во времени и переменный по длине печи. Источники тепла (в камерах нагрева) или устройства для охлаждения (в камерах охлаждения) должны быть распределены по пути движения полосы.
В протяжных печах проводят как темную (окислительную), так и светлую обработку в атмосфере контролируемого состава. Печи для темной обработки – обычно сравнительно небольшие агрегаты с непосредственным отоплением, которые по конструкции, технологии и основным параметрам подобны печам с роликовым подом. Различие печей этих двух типов состоит только в устройствах для транспортирования нагреваемых изделий.
Режим обработки в протяжных печах для термической и термохимической обработки холоднокатаной полосы в атмосфере контролируемого состава является многостадийным, включающим нагрев, выдержку и охлаждение с различными скоростями в соответствии с технологическим режимом. Полосу в печи охлаждают до температуры 120-250 °С, при которой она может быть выдана на воздух (или в воду) без опасности окисления. В этих печах поверхность ленты – светлая, а ее температура в последней части участка охлаждения ниже 500 °С. При данных условиях интенсивность теплообмена излучением мала, поэтому на участках низкотемпературного охлаждения целесообразно всемерно развивать теплообмен конвекцией. В обогреваемых камерах применяют радиационные трубы или электрические нагреватели сопротивления.
В зависимости от направления протягивания полосы протяжные печи бывают горизонтального и вертикального типов. Горизонтальные печи по условиям транспортирования полосы нельзя делать длиной более 150-200 м . Такие печи пригодны при сравнительно небольшом объеме производства. При большем объеме производства используют вертикальные (башенные) печи, в которых полосу протягивают по нескольким вертикальным ходам. Диаметр направляющих роликов вертикальных печей ограничен конструктивными возможностями, поэтому многоходовые вертикальные печи применяют обычно для обработки полосы толщиной до 1 мм. Общая длительность цикла обработки в протяжных печах не должна превышать 5-10 мин, так как в противном случае необходима чрезмерно большая длина полосы, что весьма затрудняет ее транспортирование. Основную часть длительности цикла составляет длительность выдержки и охлаждения. Поэтому протяжные печи не применяют в тех случаях, когда необходимы длительная выдержка или очень медленное охлаждение.

7 КОЛПАКОВЫЕ ПЕЧИ

7.1 Основные характеристики

Колпаковые печи предназначены для таких видов термической обработки стали, при которых необходимы продолжительные выдержки металла при заданных температурах. Цикл термической обработки включает в себя обычно нагрев до температуры 700-800 °С, длительную выдержку при этой температуре и охлаждение в защитной атмосфере до 100-120 °С и часто длится 2,5-3 сут. Колпаковые печи относятся к садочным печам, поэтому ни по производительности, ни по характеру работы они не удовлетворяют требованиям современного поточного производства. Однако, эти печи получили широкое распространение, поскольку являются весьма универсальными (по виду отжигаемого металла) и, благодаря возможности длительных выдержек, обеспечивают такой отжиг, после которого металл хорошо штампуется.
Таким образом, колпаковые печи применяют для светлой термической обработки плотно смотанных, а иногда распушенные рулонов холоднокатаной стальной ленты различной толщины, а также для термической обработки среднего и толстого горячекатаного листа, сортового проката и мотков проволоки. Электрические печи используют в основном для высокотемпературной термической обработки электротехнических и некоторых специальных сталей.
Между листами в пакетах и между витками полосы в рулонах всегда присутствует газовая прослойка, которая приводит к тому, что такой металл греется как анизотропное тело с большой разницей в величине коэффициента теплопроводности по металлу и в радиальном направлении в рулонах. Обычно пачки листов и плотно смотанные рулоны подвергаются термической обработке, распушенные рулоны - термической обработке с целью придания поверхности металла определенных свойств.
Являясь печами садочного типа, колпаковые печи теряют много тепла на периодический нагрев кладки наружного (греющего) колпака. Обычно температурный уровень работы колпаковых печей таков ~800-900 °С. Кладку наружного колпака выполняют из шамота легковеса. Аккумуляция тепла кладкой печей садочного типа зависит от температуры нагрева кладки, ее массы и теплоемкости. Если объем кладки садочной печи зависит от ее конструкции, то масса кладки зависит как от объема кладки, так и от ее плотности, которая также, как и теплоемкость, в свою очередь зависит от характера применяемого материала. Исходя из этого стараются применять материалы с пониженной плотностью, к которым и относится шамот легковес, имеющий плотность около 800 кг/м3. В последнее время все более широко в печестроении используются волокнистые огнеупорные материалы (чаще алюмосиликатные), имеющие плотность около 400 кг/м3. Если учесть, что и теплоемкость и теплопроводность у волокнистых материалов ниже, чем у шамота легковеса [соответственно 0,63 и 0,96 кДж/(кг*К); 0,152 и 0,335 Вт/(м*К)], то станут очевидными преимущества волокнистых материалов как футеровок колпаковых печей.
Отмеченная выше анизотропность нагреваемого в колпаковых печах металла является причиной возможной неравномерности нагрева рулонов или пачек листов. Так как целью технологических операций является термическая обработка, то существенную неравномерность температуры допустить нельзя, потому что это повлечет за собой неравномерность свойств. Поскольку каждая часть рулона должна быть нагрета до определенной температуры и выдержана при этой температуре вполне определенное время, постольку общая продолжительность нагрева и выдержки увеличивается. Обеспечение необходимой равномерности нагрева по высоте и ширине садки является для колпаковых печей важнейшим требованием технологии термообработки. Учитывая характер размещения рулонов, обеспечить необходимую равномерность нагрева бывает очень трудно. Рулоны, собранные в стопу, обращены к внутреннему муфелю своей внешней поверхностью, имеющей весьма значительную величину. Однако для прогрева рулонов в радиальном направлении необходимо чрезвычайно большое время, поскольку коэффициент теплопроводности в радиальном направлении 13 EMBED Equation.3 1415жв значительно ниже, чем в аксиальном 13 EMBED Equation.3 1415акс.
Величина 13 EMBED Equation.3 1415экв зависит в основном от трех факторов: марки (состава) стали, толщины ленты и плотности рулона при условии переменности состава межвитковой газовой прослойки, связанной с использованием противосварочного покрытия. Теплопроводность в радиальном направлении обычно определяется экспериментально.
Из-за того, что рулоны в радиальном направлении греются значительно хуже, чем в осевом, то для обеспечения необходимой скорости и равномерности нагрева следует обеспечить подвод тепла к торцу рулонов или пачек листов, что может быть достигнуто лишь при интенсивной циркуляции защитной атмосферы и оптимальной конструкции используемых конвекторных колец, размещаемых между рулонами. Для осуществления необходимой циркуляции используют специальные вентиляторы, а также внутренние металлические муфели, под которые подается защитная атмосфера.

Рис. 7.1 - Конструкции конвекторных колец: а - сварное двухстороннее кольцо со спиральными ребрами; б- сварное одностороннее кольцо со спиральными ребрами; в - двухстороннее кольцо с радиальными I или радиально наклонными II ребрами

Puc. 7.2. - Схемы направляющих аппаратов: a - литой с четырехлопастным рабочим колесом; б - с остроконечными лопатками
Конвекторные кольца должны обеспечить равномерное омывание торцов рулонов стали циркулирующей защитной атмосферой и эффективную теплоотдачу от газа к торцам рулонов и иметь при этом малое гидравлическое сопротивление и быть просты в изготовлении и эксплуатации. Величина опорной поверхности колец должна быть достаточной, чтобы исключить смятие кромок ленты на торцах рулонов. Размещаемые между рулонами конвекторные кольца имеют небольшую высоту (80-120 мм, иногда немного больше), поэтому толщина газового слоя такова, что передача тепла осуществляется конвекцией при соприкосновении атмосферы с кромками ленты.
Чем интенсивнее движение защитной атмосферы около кромок ленты, тем больше тепла передается рулонам в осевом направлении. А, как следует из соотношения коэффициентов теплопроводности в радиальном и осевом направлениях, именно теплопроводность в осевом направлении и определяет и скорость и равномерность прогрева рулонов.
Самый нижний рулон опирается на так называемый направляющий аппарат (рис. 7. 2), внутри которого располагается рабочее колесо циркуляционного вентилятора. Защитная атмосфера подсасывается рабочим колесом вертикально сверху вниз и распределяется по периферии направляющего аппарата, назначение которого, кроме того, равномерно распределить циркулирующую атмосферу по периметру внутреннего муфеля.

7.2 Основные типы колпаковых печей

Конструкция колпаковых печей выбирается в соответствии с их назначением. Основные типы колпаковых печей схематично изобраэюены на рис. 7.3.

Рис. 7.3. Основные типы колпаковых печей: а, б - одностопная и многостопная для рулонов; в - для распушенных рулонов; г - для стоп листов или бунтов сортового проката
На стенде одностопной печи (рис. 7.3, а) устанавливают одну стопу из нескольких поставленных друг на друга рулонов. Между рулонами закладывают конвекторные кольца, а сверху стопу закрывают крышкой. Стопу накрывают муфелем с сочным затвором. В стенде установлен циркуляционный вентилятор, который засасывает газ контролируемого состава из центральной полости стопы и подает его через кольцевую щель направляющего аппарат вверх вдоль стенки муфеля. При омывают стенки муфеля газом между муфелем и газ происходит теплообмен. Затем газ поступает в конвекторные кольца и, проходя через них во внутреннюю полость стопы, омывает торцы рулона, где происходит теплообмен между газом и рулонами.
В многостопных печах (рис. 7.3,6) на стенд устанавливают от трех до восьми стоп рулонов в один или два ряда по ширине стенда. Каждую стопу накрывают отдельным круглым муфелем. В стенде смонтировано соответствующее числу стоп число циркуляционных вентиляторов. Нагревательный колпак общий для всех стоп.
На стенд колпаковой печи для распушенных рулонов (рис. 7.3, в) устанавливают один или два рулона друг на друга. Циркуляционный вентилятор просасывает через зазоры между витками ленты, и теплообмен идет через всю поверхность ленты рулона.
Печи для стоп листов, бунтов и рулонов при высокотемпературных режимах (рис. 7.3, г) по конструкции стенда и нагревательного колпака подобны многостопным печам. Однако в большинстве случаев они не оборудованы циркуляционными вентиляторами, которые устанавливают иногда только на печах для термической обработки бунтов сортового проката. На стенды этих печей рулоны устанавливают в один ряд по высоте, а высота стопы листов не превышает 1400-1500 мм.
Термическая обработка рулонов стальной ленты и листов в колпаковых печах состоит в нагреве и охлаждении металла под муфелем в атмосфере контролируемого состава. Охлаждение заканчивают, когда температура металла достигает величины, при которой металл может находиться на воздухе, не окисляясь. В связи с тем, что длительность нагрева меньше длительности охлаждения, то один колпак обычно обслуживает два-три стенда: на одном стенде проводят нагрев под колпаком, а на остальных охлаждение, сборку и разборку стоп. Колпак с одного стенда на другой переносят мостовым краном.

7.3 Технология нагрева

Колпаковые печи характеризуются переменными во времени тепловым и температурным режимами. На рис. 7.4 приведены тепловой и температурный режимы колпаковых печей. В первый период необходимо обеспечить максимальную скорость нагрева металла, поэтому вначале нагрева в печь подают максимально возможное количество тепла, соответствующее тепловой мощности печи. Величина тепловой мощности печи должна быть согласована со степенью равномерности нагрева металла: чем равномернее нагревается металл, тем больше может быть принята тепловая мощность. Максимальное количество тепла подается до тех пор, пока наиболее быстро нагреваемая часть садки (например, поверхность верхнего рулона) не достигнет заданной температуры. Затем наступает период выравнивания температуры и расход топлива (электроэнергии) начинает снижаться. Период выравнивания температур заканчивается в момент достижения заданного перепада температур между наиболее быстро и наиболее медленно нагреваемыми частями садки. В этот момент подается минимальное количество тепла. По окончании периода выравнивания подача топлива (электроэнергии) прекращается, снимается нагревательный колпак и начинается охлаждение садки.


Рис. 7.4. Тепловой и температурный режимы колпаковой печи: 1 - тепловая нагрузка; 2 - температура нагревательного колпака; 3 - температура муфеля; 4, 5 - соответственно температура наиболее быстро и наиболее медленно нагреваемых частей садки
7.5 Конструкция одностопной колпаковой печи.

Наиболее часто применяются одностопные печи на газовом топливе без рекуператоров для подогрева воздуха (рис. 7.5) и с рекуператорами (рис. 7.6).
Печи оборудованы горелками небольшой мощности, располагаемыми равномерно по окружности в нижней части нагревательного колпака. Во избежание пережога внутреннего муфеля перед каждой горелкой располагается керамическая пластина, препятствующая удару пламени в стенку внутреннего муфеля. Продукты сжигания продвигаются между внешним колпаком и внутренним муфелем и при помощи эжектора удаляются из печи в систему дымоотводов, которая работает под действием искусственной тяги. Такое размещение горелок способствует равномерному нагреву кладки печи, внутреннего муфеля и садки. Защитная атмосфера подается под внутренний муфель, где и циркулирует с помощью вентилятора.

Рис. 7.5. Одностопная колпаковая печь без рекуператоров
Как показали исследования, использование рекуператоров на колпаковых одностопных печах дает очень существенные положительные результаты. При средней температуре дыма перед рекуператорами около 630-660 °С обеспечивается подогрев воздуха до 350-390 °С при снижении расхода топлива на 17-20 %. Для качественной работы одностопной колпаковой печи необходимо достаточно интенсивно и равномерно обогревать внутренний муфель с его внешней стороны и осуществлять энергичную и равномерную по отношению к внутренней поверхности муфеля и рулонам циркуляцию защитного газа.
Нагрев внутреннего муфеля осуществляется, в основном, излучением от кладки и дымовых газов, так же как и в нагревательных печах. Делаются попытки покрывать внутреннюю поверхность кладки нагревательного колпака специальными обмазками, усиливающими теплоотдачу излучением. Нагрев рулонов осуществляется, в основном, конвекцией от циркулирующей защитной атмосферы. Муфель также излучает на рулоны, но падающий тепловой поток излучением приходится, главным образом, на внешнюю поверхность рулонов и влияет на прогрев рулонов в радиальном направлении, где 13 EMBED Equation.3 1415 очень мал. Исключение составляет лишь самый верхний рулон, верхний торец которого обращен к верхней части муфеля и интенсивно получает от нее тепло лучистым путем. Этим объясняется тот факт, что верхний рулон нагревается всегда интенсивнее других рулонов, составляющих стопу.
В колпаковых печах для отжига плотно смотанных рулонов технологический процесс делится на три стадии: нагрев до температуры 650-750 °С, охлаждение под муфелем до 150 °С и без него до температуры дрессировки и загрузка–разгрузка стенда. Расход времени на все эти операции приблизительно одинаков, поэтому используются обычно три стенда, на которые приходится один нагревательный колпак и два внутренних муфеля. Охлаждение под муфелем может быть или естественным или с применением водяных холодильников для защитного газа, которые размещаются под стендом. Иногда при охлаждении муфели снаружи обдуваются холодным воздухом, подаваемым мощным вентилятором, установленным около муфеля и перемещаемым по цеху с помощью специальной тележки. Циркуляция защитной атмосферы при охлаждении играет важную роль, обеспечивая ускоренное охлаждение рулонов с торцов. Окончательное охлаждение без муфеля бывает естественное или принудительное при помощи внешнего передвижного вентилятора.

Рис. 6. Одностопная колпаковая печь с рекуператорами: 1- стенд; 2 - нагревательный колпак; 3 - муфель; 4 - вентилятор; 5 - направляющий аппарат; 6 - холодильник защитного газа; 7 - конвекторные кольца; 8 - двухпроводные горелки; 9 - рекуператор; 10 -дымопровод; 11 - крышка стопы рулонов
На рис. 7.7 представлена схема циркуляции защитного газа в одностопной колпаковой печи. Использование двойного муфеля имеет ряд существенных преимуществ. Двойной муфель обеспечивает постоянство проходного сечения для защитного газа независимо от диаметра отжигаемых рулонов. Это позволяет обеспечить постоянную и высокую скорость газа около внешних стенок муфеля, что улучшает конвективную теплопередачу между муфелем и циркулирующим газом. Кроме того, при одинарном муфеле температура газа в точках I-IV (см. рис. 7.7) различна, так как газ различное время находится в соприкосновении со стенками муфеля. В результате нижние рулоны и нагреваются, и остывают медленнее. При двойном муфеле температура газа в указанных точках приблизительно одинакова.


Рис. 7. Схемы циркуляции защитного газа:: а - при одинарном муфеле; б -при двойном муфеле; 1- муфель; 2 -рулон; 3 - конвекторное кольцо; 4 -крышка; 5 - обойма вентилятора; 6 - вал вентилятора; 7 - рабочее колесо; 8 - направляющий аппарат; 9 - байпас; 10 - защитная шайба; 11 - песочный затвор; 12 и 13 - подводящий и отводящий патрубки защитного газа
Исследование движения газа при одинарном муфеле показало (рис. 7.8) наличие наряду с основным вертикальным контуром циркуляции (через вентилятор) двух дополнительных: вертикального (муфель внешняя поверхность рулона), состоящего из отдельных (по числу рулонов) вихрей, и горизонтального (вокруг стопы рулонов).
Количество газа, вращающегося в горизонтальном контуре у нижнего рулона, примерно в два раза больше, чем у верхнего, а в вертикальном дополнительном, в два раза меньше. Количество проходящего через конвекторное кольцо газа практически не зависит от его положения.
При расчете нагрева и охлаждения рулонов было установлено, что отказ от нижнего конвекторного кольца приведет к удлинению отжига на 41 %, отказ от крышки стопы из-за сокращения расхода газа через кольца в 3,7 раза - на 33 %. Работа печи без колец увеличит продолжительность отжига в 2,4 раза.

Рис. 8. Контуры циркуляции защитного газа в одностопной кол паковой печи
Усиление циркуляции за счет повышения частоты вращения крыльчатки вентилятора с 960 до 1460 об/мин увеличит расход газа через конвекторные кольца в 1,52 раза и сократит продолжительность отжига на 10 %. Несмотря на развитую циркуляцию достичь равномерного нагрева бывает очень трудно. Как показали исследования одностопных (три рулона массой по 33 т) колпаковых печей, отжигающих ленту из стали 08ю (рис.7.9), неравномерность по высоте стопы и сечению рулонов достигает существенной величины. Значительное (практически полное устранение) снижение неравномерности нагрева рулонов при существенном сокращении общей продолжительности цикла отжига последовало после разработки и внедрения принципиально новой конструкции радиационно-конвективных колец.

Рис. 7.9. Зависимость перепада температур по сечению рулона (1 -3) и высоте садки (4) от продолжительности нагрева
Обычно при светлом отжиге в газовых колпаковых печах углеродистой стали применяется защитная атмосфера, состоящая из 95 % N2 и 5 % Н2.
Зависимость длительности нагрева и охлаждения от параметров рулонов и режима отжига.
Основными факторами, влияющими на продолжительность нагрева и охлаждения рулонов в колпаковых печах, являются: параметры рулонов (наружный и внутренний диаметры, высота, ^KB); режим отжига (конечный перепад температур при нагреве, конечная температура охлаждения, метод охлаждения); интенсивность и схема циркуляции (конструкция муфеля, характеристика циркуляционного вентилятора).
Более крупные по диаметру и высоте рулоны нагреваются медленнее. Увеличение допустимой величины конечного перепада температур приводит к снижению длительности нагрева.
Влияние интенсивности циркуляции на длительность нагрева рулонов хорошо иллюстрируется данными, приведенным на рис. 7.10. Так, если сравнить продолжительность нагрева рулонов с наружным диаметром 1,8 м при циркуляции воздуха вентилятором мощностью 15 кВт, и без циркуляции, то видно, что продолжительность нагрева снижается в три с лишним раза. Следовательно, использование циркуляционных вентиляторов в масштабе цеха дает огромную выгоду, поскольку число колпаковых печей зависит от общего объема производства цеха и производительности одной печи.

Рис. 7.10. Влияние циркуляции на длительность нагрева рулонов: I - 2 –соответственно рулоны с наружным диаметром 1,8 и 1,5 м
Пути экономии топлива в колпаковых печах:
использование рекуператоров для подогрева воздуха до 350-390 °С, что снижает расход топлива на 17-20 %;
интенсификация теплообмена между нагревательным колпаком и муфелем (специальная обмазка внутренней поверхности нагревательного колпака, скоростные горелки и т.п.);
разработка оптимальной конструкции конвекторных колец, обеспечивающих высокую теплоотдачу к торцам рулонов и имеющих низкое гидравлическое сопротивление;
применение в кладке волокнистых огнеупорных материалов, позволяющих примерно в 2 раза снизить потери теплоты на аккумуляцию кладки;
разработка конструкции печи с условиями теплообмена на всех торцах рулонов, похожими на условия для верхнего торца верхнего рулона;
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;
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.
Литература








13PAGE 15


13PAGE 141915


13PAGE 15


13PAGE 15









Root Entry

Приложенные файлы

  • doc 18085884
    Размер файла: 5 MB Загрузок: 0

Добавить комментарий