печи. ПЕЧИ ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ. Печи черной металлургии 41. Технологические цепочки в металлургии
 Скачать 2.15 Mb.
|
|
6.1.2. Рекуперативный нагревательный колодец с отоплением из центра подины Рекуперативный нагревательный колодец с отоплением из центра по- дины – нагревательный колодец, в котором воздух подогревается в рекупе- раторе, а подвод газа и воздуха осуществляется через отверстия в подине. Подробнее о рекуператоре см. на с. 7. Схема колодца представлена на рис. 6.4. В квадратной ячейке нагреваются 10-14 слитков. Масса садки – 45-105 тонн. В центре ячейки расположена горелка, представляющая из се- бя газовое сопло, окружённое каналом для прохода горячего воздушного дутья. Воздух подаётся в ячейку своим вентилятором. Ширина рекуперато- ра равна ширине ячейки (4-5 метров). Рекуператор собирают из восьми- гранных керамических трубок. Трубки сочленяют между собой восьми- 104 гранными звездочками (муфтами), что усиливает прочность рекуператора и создает условия для перекрестного движения дыма и воздуха. Охлаждаю- щийся дым движется по трубкам рекуператора сверху вниз. Воздух дви- жется в горизонтальном направлении между трубками. Высота яруса для прохода воздуха обычно равна высоте трубки. Около каждой звездочки имеются 4 отверстия. Если отверстия заложены огнеупорными вставками, то воздух не может попасть на верхний ярус. В конце яруса отверстия возле каждой звездочки открыты и воздух переходит на следующий (верхний) ярус. Таким образом, в рекуператоре имеет место перекрестно- противоточное движение воздуха, что усиливает теплоотдачу от дыма к на- греваемому воздуху. Диаметр воздухопровода между вентилятором и рекуператором 0,7 м. Рассредоточенная подача воздуха в рекуператор осуществляется тремя входными воздухопроводами. Диаметр подводящего воздухопровода от ре- куператора к горелке 0,8 м. Поэтому вверху рекуператора имеется коридор, служащий для сбора нагретого воздуха. Колодец обычно отапливается кок- содоменной или природнодоменной смесью с теплотой сгорания 6,5-10 МДж/м 3 . Газ может подогреваться в металлическом рекуператоре, располагаемом в общем дымоходе после керамических рекуператоров. Рис. 6.4. Схема рекуперативного колодца с отоплением из центра подины: 1 - горелка; 2 - керамический рекуператор; 3 - подвод холодного воздуха; 4 - канал для подвода горячего воздуха; 5 - каналы для отвода дыма; 6 - слитки; 7 - шлаковая чаша; 8 - дымовые каналы для отвода "своего" дыма; 9 - дымовые каналы для отвода "транзит- ного" дыма соседней ячейки 105 Группа колодцев состоит из 2 ячеек и обслуживается одной дымовой трубой. Уборка шлака чаще всего осуществляется в сухом виде. Принцип работы колодца следующий. Слитки загружаются сверху краном в рабочее пространство (крышка колодца на рис. 6.4 условно не по- казана). Снизу в рабочее пространство подаются газ и воздух. Температура газа до 250-300 °С, температура воздуха до 750-800 °С. Образующийся при сжигании газа факел заполняет рабочее пространство, ударяется о крышку колодца, что способствует сокращению длины факела, но и снижению стойкости крышки. Пряди факела по стенкам опускаются вниз. Далее через два дымовых окна дым поступает в надрекуператорное пространство, а за- тем в трубки рекуператоров. По завершении нагрева слитков газ и воздух отключают, а слитки поштучно извлекают клещевым краном и отправляют на блюминг. Недостатки колодца: а) неравномерность нагрева слитка по высоте в связи с недостаточно хорошим перемешиванием газа и воздуха перед горе- нием; б) продолжительность нагрева слитков холодного посада и удельный расход топлива несколько выше, чем у регенеративных нагревательных ко- лодцах и при этом колодцы требуют более калорийного топлива; в) нару- шение герметичности рекуператора в процессе его эксплуатации, что при- водит к потерям воздуха. Потери воздуха обусловлены значительным пере- падом давления между воздушной и дымовой сторонами рекуператора. Этот перепад давления увеличивается в процессе работы колодца из-за за- растания пылью входных отверстий верхнего ряда трубок. В новом колод- це утечка составляет 10-30 %, а в конце кампании – 50-60 %. Потери возду- ха негативно сказываются на качестве сжигания топлива, величине тепло- вой мощности, длительности процесса нагрева, расходе топлива и на про- должительности кампании работы колодца. Рекуператоры необходимо пе- рекладывать каждые 1,5-2 года. Утечки воздуха разбавляют дым и снижают его температуру. Таким образом, снижается эффективность рекуператора. Если в первые недели работы рекуператора после ремонта температура по- догрева воздуха составляет 750-800 °С, то в дальнейшем температура мо- жет снизиться до 400-500 °С. Удельный расход условного топлива зависит от температуры посада слитков и составляет: при холодном посаде около 55-65 кг у.т./т стали; при температуре посада 700-800 °С около 30-40 кг у.т./т стали. Можно предложить мероприятия для снижения расхода топлива: 1. для поддержания тепловой мощности и улучшения условий сжигания, добавка в рабочее пространство через горелку недостающего количе- ства кислорода; 2. установка в каналах горячего воздуха инжекторов, что поможет сни- зить давление воздуха и уменьшить потери воздуха; 106 3. замена керамических рекуператоров на металлические трубчатые и струйные; применение в устье горелки различного рода рассекателей факела с целью опускания факела от крышки к подине. В этом случае должна снизиться неравномерность нагрева слитков по высоте; замена керамических рекуператоров компактными регенераторами с шари- ковыми насадками; импульсный способ подачи теплоносителя в рабочую камеру для повыше- ния равномерности температурного поля ячейки. 6.1.3. Рекуперативный нагревательный колодец с верхней горелкой Рекуперативный нагревательный колодец с верхней горелкой – нагре- вательный колодец, в котором воздух нагревается в рекуператорах, а под- вод газа и воздуха для сжигания топлива осуществляется в верхнюю часть колодца. Схема колодца представлена на рис. 6.5. Ячейка имеет в горизон- тальной плоскости прямоугольную форму (ширина 2,2-3,3 м, длина 7-10 метров). Глубина ячейки до 4,4 м. Обычно в ней нагреваются 12-14 слитков. Общая масса садки – самая высокая из всех типов колодцев и составляет около 140 тонн. Колодец имеет один керамический рекупера- тор для нагрева воздуха до 700-750 °С и один металлический рекуператор для нагрева компрессорного воздуха высокого давления до 200-350 °С. Обычно горелка представляет из себя газовую трубу (газовое сопло), по периферии которого подводится воздух. Смешение газа и воздуха про- исходит в ячейке. В качестве топлива используют газовые смеси с теплотой сгорания около 6-7 МДж/м 3 Особенность колодца: отсутствие вентилятора. Подача воздуха в го- релку осуществляется с помощью инжектора. В качестве инжектирующей среды используется компрессорный воздух, количество которого составля- ет 25-30 % от общего расхода воздуха. Под действием разрежения, созда- ваемого инжектором, и из-за разогретого рекуператора, который работает как дымовая труба, атмосферный воздух сам по себе входит в рекуператор и далее поступает в смеситель инжектора. В процессе работы колодцев инжектор может подсасывать через реку- ператор больше воздуха, чем требуется по условиям качественного сжига- ния топлива. Для стабилизации расхода воздуха применяются специальные каналы для сброса излишков воздуха или создают повышенное давление в рабочем пространстве ячейки (при надлежащем уплотнении подкрышковой щели). Последнее позволяет регулировать противодавление работающего инжектора и, соответственно, расход воздуха. 107 Принцип работы колодца следующий. Слитки загружаются поштучно в рабочую камеру и располагаются вдоль обеих продольных стен. Включа- ется подача компрессорного воздуха и газа, которые вместе с подсасывае- мым атмосферным воздухом дают длинный факел на выходе из горелки в рабочее пространство. После удара факела о торцевую стенку он меняет направление на обратное, и дым удаляется через дымовое окно, располо- женное ниже горелки. Таким образом, движение дыма в колодце носит подковообразный характер. С одной стороны, это приводит к сокращению расхода топлива за счёт утилизации теплоты дыма. Но с другой стороны, приводит к неравномерному нагреву садки. Слитки, стоящие около проти- воположной от горелки стенки, греются быстрее. Кроме того, верхняя часть слитков имеет более высокую температуру. Режим нагрева слитков ведут по слиткам, которые греются быстрее. Дым, который удаляется из рабочего пространства, проходит последо- вательно керамический рекуператор, состоящий из восьмигранных керами- ческих трубок, далее металлический трубчатый рекуператор, дымовой ши- бер и на дымовую трубу. Поскольку температура подины низкая, то на колодце применяют су- хое шлакоудаление. Так же как и в колодцах с центральной горелкой верхний ряд трубок рекуператора зарастает пылью, выносимой из рабочего пространства с ды- мом. Это приводит к закупориванию дымовых каналов и преждевременно- му выходу рекуператоров из строя. Рис. 6.5. Схема рекуперативного колодца с верхней горелкой: 1 - керамический рекуператор; 2 - каналы для холодного воздуха; 3 - металлический ре- куператор; 4 - подвод компрессорного воздуха; 5 - дымовое окно; 6 - слитки; 7 - шлаковая чаша; 8 - дымовой шибер 108 Удельный расход условного топлива на колодце с верхней горелкой составляет: при холодном посаде около 50-60 кг у.т./т стали; при горячем посаде (700-800 °С) около 30-40 кг у.т./т стали. Для снижения расхода топлива и повышения равномерности нагрева слитков можно рекомендовать следующее: 1. установка возле горелочной стороны дополнительных небольших го- релок. Это уменьшит время выдержки для прогрева слитков, отстаю- щих в нагреве; 2. применение специальных рассекателей и завихрителей факела, делаю- щих его короче и шире; 3. применение горелки с качающимся соплом, периодически изменяюще- го направление факела с целью изменения положения зоны высоких температур; 4. импульсное вдувание компрессорного воздуха под углом к основному газовоздушному потоку вблизи среза сопла горелки, что обеспечивает перемещение факела в рабочем пространстве колодца; 5. по аналогии с мартеновской печью установка шлаковика (см. с. 45) между дымовым окном и рекуператором за счет небольшого уменьше- ния габаритов рекуператора. Это позволит повысить стойкость рекупе- ратора; 6. установка струйных рекуператоров (для подогрева компрессорного воздуха) в надрекуператорном пространстве. 6.2. Методические печи Методическая печь – проходная печь для нагрева металлических заго- товок перед обработкой давлением (прокатка, ковка, штамповка). В свою очередь проходной печью называется печь непрерывного действия, в кото- рой нагреваемые заготовки движутся вдоль печи, перемещаемые толкате- лем, рольгангом или другими механизмами. Загрузка и выгрузка проходной печи производятся через окна в торцовых стенах печи или в боковых стен- ках вблизи торцов. В методической печи заготовки обычно передвигаются навстречу движению продуктов сгорания топлива; при таком противоточном движе- нии достигается высокая степень использования теплоты, подаваемой в печь. Хотя встречаются прямоточные и прямопротивоточные печи. Заго- товки проходят последовательно три теплотехнические зоны: методиче- скую (зону предварительного подогрева), сварочную (зону нагрева) и то- мильную (зону выравнивания температур в заготовке). Иногда томильная зона может отсутствовать. Методические печи классифицируют: а) по числу зон отопления в сварочной зоне плюс методическая зона, и, если есть, томильная зона (2-, 3-, 4-, 5-зонные); б) по способу транспортирования заготовок (толкатель- 109 ные, с подвижными балками и др.); в) по конструктивным особенностям (с нижним обогревом, с наклонным подом, с плоским сводом и т.д.). Методические печи отапливают газообразным или жидким топливом с помощью горелок или форсунок. Стандартные режимы нагрева металла в двухзонных, трёхзонных и многозонных методических печах приведены на рис. 6.6. Можно отметить, что, в отличие от нагрева металла в колодцах, тепловой поток на поверх- ность металла в начальный период нагрева (методическая зона) нарастает. Одновременно температура поверхности сначала резко увеличивается (ско- рость нагрева максимальная), а затем повышается медленнее (скорость на- грева падает) с по- степенным увеличе- нием скорости к концу методической зоны. Преимущество многозонных печей перед двухзонными: гибкость в регули- ровке режима нагре- ва и, соответствен- но, меньший расход топлива при высо- ком качестве нагре- ва металла. Недоста- ток: усложнение конструкции систе- мы отопления. Под качеством нагрева понимается: точность получения заданных темпера- тур в конце нагрева, величина окисления и обезуглероживания по- верхности заготовок, точность сохранения формы заготовок после воздей- ствия термических напряжений. Ориентировочные значения отдельных по- казателей качества: температура нагрева заготовок в методических печах – 1100-1250 °С; перепад температуры в конце нагрева – 400-1000 °С/метр толщины заготовки; количество окислившегося металла – 0,5-2 %; толщина обезуглероженного слоя – 0,5-1,5 мм. В дальнейшем изложении мы будем различать печи по способу транс- портирования и рассмотрим следующие печи: толкательную печь, печь с шагающим подом, кольцевую печь, печь с шагающими балками и секцион- Рис. 6.6. Режимы нагрева заготовок в зависимости от числа зон методической печи (L - длина печи): а - 2-зонная печь; б - 3-зонная печь; в - многозонная печь; t г - температура дыма; t ух - температура уходящего дыма; t 0 - начальная температура металла; t п - температура поверхно- сти металла; t с - температура середины металла; q п - плотность теплового потока на поверхности металла 110 ную печь. Мы не выделяем секционную печь в отдельную группу методи- чески-камерных печей, как иногда делается в литературе, а относим к ме- тодическим печам, т.к. по своей сути секционная печь в первую очередь все-таки проходная печь и подходит под общее определение методических печей. Материальный и тепловой балансы методических печей во многом схожи по своей структуре, – отличия связаны с числовыми показателями. Ориентировочные балансы приведены в табл. 6.3 и 6.4. В качестве основы в этих балансах взята толкательная печь. Таблица 6.3 Ориентировочный материальный баланс процессов в рабочем пространстве методической печи (кг/кг нагретого металла) Приход На 1 кг металла Расход На 1 кг металла 1. Загружаемый металл 1,015 1. Нагретый металл 1,000 2. Воздух для горения топлива 0,814 2. Продукты горения, в т.ч. – продукты горения топлива - 1,031; – азот воздуха от окисления железа - 0,018; 1,049 3. Топливо (коксодоменная смесь) 0,217 3. Окалина 0,021 4. Воздух для окисления железа 0,024 Итого 2,070 Итого 2,070 Таблица 6.4 Ориентировочный тепловой баланс методической печи (на 1 кг нагретого металла) Приход кг кДж % Расход кг кДж % 1. Химическая энергия топлива 2394 84,1 1. Физическая теплота нагретого металла (t = 1230 °С) 846 29,8 2. Физическая теплота воздуха для горения (t = 400 °С) 337 11,9 2. Физическая теплота продук- тов горения топлива (t = 1000 °С) 1318 46,4 3. Химическая энергия окисле- ния железа 85 3,0 3. Потери теплоты с охлаждаю- щей водой 575 20,2 4. Физическая теплота воздуха для окисления железа (t = 400 °С) 10 0,4 4. Потери теплоты теплопро- водностью и излучением через окна 38 1,3 5. Физическая теплота металла (t = 20 °С) 10 0,4 5. Потери теплоты теплопро- водностью через кладку 26 0,9 6. Физическая теплота топлива (t = 20 °С) 6 0,2 6. Физическая теплота окалины на металле (t = 1250 °С) 19 0,7 7. Физическая теплота азота воздуха от окисления металла (t = 1000 °С) 20 0,7 Итого 2842 100,0 Итого 2842 100,0 111 Методические печи характеризуются наличием нескольких зон по длине печи. Т.к. тепловой баланс обычно составляется для определения расхода топлива и выбора горелок, то тепловой баланс методических печей часто приходится составлять для отдельных зон. В частности, для секцион- ных печей, включающих 20 и более секций, тепловой баланс может быть составлен для каждой секции. 6.2.1. Толкательная печь Толкательная печь – методическая печь, в которой перемещение заго- товок вдоль печи происходит с помощью внешнего устройства – толкателя. Это самый простой и недорогой способ транспортирования металла через печь. В настоящее время разработано большое количество толкательных печей, отличающихся числом зон, наклоном подины, конструкцией свода и способом утилизации теплоты дымовых газов. Рассмотрим в виде примера трехзонную печь двухстороннего нагрева с наклонным подом, оборудован- ную керамическим блочным рекуператором для нагрева воздуха и инжек- ционными горелками (рис. 6.7). Особенностью данной печи является от- сутствие вентилятора. Воздух засасывается за счет разрежения, создавае- мого активной струей газового топлива горелок. Кроме этого, разрежение создает разогретый рекуператор, который действует как дымовая труба. Подобный принцип подачи воздуха заложен и в конструкции нагреватель- ного колодца с верхней горелкой (см. с. 106). Выдача нагретых заготовок в данной толкательной печи (рис. 6.7) бо- ковая с использованием дополнительного толкателя. Длина заготовок – 5-12 м. Соответственно и ширина печи достигает 12,5 метра. Печь рассчи- тана на сжигание доменного газа. Газ подогревается в металлическом реку- ператоре до 200-250 °С. Керамический рекуператор изготавливается из блоков размером при- мерно 300 × 250 × 250 мм. Конструкция блочного рекуператора очень про- стая. Внутри отдельных блоков имеются четыре отверстия для прохода воздуха, а наружная поверхность выполнена фигурной. В результате при сочленении блоков между ними появляются полости для прохода дыма в направлении, перпендикулярном движению воздуха. Достоинство блочно- го рекуператора в низком гидравлическом сопротивлении для прохода ды- ма и воздуха. Принцип работы печи следующий. Заготовка подаётся внешним роль- гангом к торцевому окну со стороны посада (на рис. 6.7 – слева). Далее толкатель проталкивает заготовку в печь. При этом заготовка замещает предыдущую заготовку и проталкивает все заготовки, лежащие на подине. Заготовки лежат без зазоров, поэтому в расчётах нагрева садку печи можно 112 считать монолитной пластиной. Подина выполнена наклонной для облег- чения перемещения всей садки. В самом конце печи участок подины сделан горизонтальным. Крайняя нагретая заготовка, которая попадает на гори- зонтальный участок подины, будет выдана из печи боковым толкателем че- рез боковое окно. Температура нагрева заготовок зависит от марки стали и колеблется от 1100 до 1250 °С. Нагрев заготовок происходит за счёт лучи- стого и конвективного теплообмена в системе "дым – кладка – металл". Продукты горения (дым) образуются при факельном сжигании топли- ва в инжекционных горелках. Дым проходит навстречу металлу и удаляет- ся с температурой 750-1000 °С возле окна посада вниз через полости в бо- ковых стенах и через щели между заготовками и стенками печи. Далее дым проходит через двухходовый керамический рекуператор для подогрева воздуха и металлический трубчатый рекуператор для подогрева газа (по- следний на рис. 6.7 не показан) и выбрасывается без очистки в атмосферу посредством дымовой трубы. Рис. 6.7. Трёхзонная толкательная печь: 1 - окно посада; 2 - смотровые окна; 3,4,5 - продольные (глиссажные) поперечные и вер- тикальные опорные трубы; 6 - металлические балки каркаса; 7 - инжекционные горелки; 8 - трубопровод горячего воздуха; 9 - трубопровод газа; 10 - окно выдачи; 11 - окна для уборки шлака; 12 - сборный канал горячего воздуха; 13 - керамический рекуператор; 14 - дымовой боров 113 В сварочной зоне печи металл проталкивается по водоохлаждаемым глиссажным (скользящим) трубам. Если смотреть на подину сверху (в пла- не), то можно увидеть, что глиссажные трубы выполнены в виде ряда па- раллельных продольных транспортных труб. Для уменьшения контакта ме- талла с холодной частью продольных труб и для уменьшения истирания труб на них приваривается пруток-гребешок из жаропрочной стали или ус- танавливаются так называемые рейтеры, выполненные из жаропрочных сплавов на основе хрома. Глиссажные трубы поддерживаются опорными трубами, представляющими из себя систему поперечных (горизонтальных) и вертикальных водоохлаждаемых труб. Наличие глиссажных труб позво- ляет быстро нагреть заготовки (т.е. обеспечить высокую производитель- ность) за счёт двухстороннего подвода теплоты к заготовкам. Глиссажные трубы выгодно использовать при толщине заготовок больше 100 мм. В то- мильной зоне нагрев односторонний. Основное назначение томильной зо- ны – ликвидация "тёмных" пятен, образующихся на нижней поверхности заготовок при их движении по глиссажным трубам. В томильной зоне заго- товки движутся по неохлаждаемым массивным брусьям. Угар (потери при окислении) металла в толкательных печах обычно составляет 1,5-2 %. Удаление шлака (окалины) с подины производится пе- риодически вручную через рабочие боковые окна нижней сварочной и то- мильной зоны. Удельный расход топлива в толкательной печи при температуре на- грева заготовок 1200 °С около 70-80 кг у.т./т металла. Если в печи отсутст- вуют зоны двухстороннего нагрева (нет глиссажных труб), то расход топ- лива около 60-70 кг у.т./т металла. Для сокращения расхода топлива можно рекомендовать следующее: 1. совершенствование тепловой изоляции глиссажных труб, которые по- требляют до 15 % подводимой к печи теплоты; 2. применение системы испарительного охлаждения глиссажных труб. Это позволит снизить расход воды на охлаждение, повысить стойкость труб, получить высокотемпературный теплоноситель (пар); 3. использование современных жаростойких теплоизоляционных мате- риалов в кладке печи; 4. интенсификация лучистого теплообмена в зонах печи (повышение све- тимости факела, использование скоростных горелок, гофрирование кладки, зачернение футеровки и т.п.); 5. замена керамического рекуператора на стабильно работающий метал- лический; 6. создание в начале методической зоны условий для протекания продук- тов сгорания сначала над металлом, а затем под металлом; 114 7. организация струйного натекания продуктов сгорания на металл с по- мощью высокотемпературных дымососов или инжекторов, что значи- тельно увеличивает теплоотдачу в начальный период нагрева; 8. расположение в рабочем пространстве системы перегородок для при- жатия потоков дыма к металлу и увеличения конвективной теплоотда- чи. Одновременно это увеличивает излучающую поверхность кладки; 9. отказ от монолитной подины в томильной зоне и переход на двухсто- ронний нагрев металла по всей длине печи. В этом случае обязатель- ным является применение металлических или металлокерамических рейтеров. Желательным является небольшое смещение по длине печи (относительно оси печи) глиссажных труб. |