печи. ПЕЧИ ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ. Печи черной металлургии 41. Технологические цепочки в металлургии
 Скачать 2.15 Mb.
|
|
7. Термические печи Термическая печь – печь для термической обработки металлических изделий. Термические печи классифицируются по технологическим при- знакам и назначению (закалочные, отжигательные, цементационные и др.), по способу нагрева (электрические, пламенные, косвенного нагрева), по среде рабочего пространства (воздух, газовая контролируемая среда, жид- кая среда), по конструкции (камерные, колпаковые, ванные и т.д.), по ре- жиму работы (периодического и непрерывного действия). В процессе термической обработки повышается качество изделий или сообщаются дополнительные свойства, что обеспечивает сокращение рас- хода металла в процессе эксплуатации. Термической обработке подверга- ются все виды горячекатаного и холоднокатаного проката: лист, уголок, проволока, рельс, труба, швеллер, лента и др. Виды термической обработки: 1) сортовой прокат – полный и изотермический отжиг, нормализация, закалка (патентирование); 2) горячекатаный лист: а) нормализация или закалка с последующим отпуском; б) отжиг или высокий отпуск; 3) рельсы – нормализация, изотермическая выдержка, отпуск; 4) холоднокатаный лист и лента – рекристаллизационный отжиг. Все виды термообработки можно разделить на две большие группы: 1) простой нагрев до определённой температуры с последующей вы- дачей на воздух (нормализация) или в жидкие среды (закалка). Пример ре- жима – на рис. 7.1а; 2) нагрев до определённой температуры с последующей длительной изотермической выдержкой и, в завершение, регламентированным охлаж- дением или охлаждением вместе с печью (отжиг). Пример режима – на рис. 7.1б. Для нагрева под нормализацию и закалку применяют нагревательные проходные печи всех типов, описанных в разделе 6. Кроме этих печей при- меняют специализированные проходные и камерные печи, предназначен- ные для термической обработки конкретных видов продукции. Для нагрева под отжиг применяют камерные печи и для отдельных видов продукции – протяжные печи непрерывного действия (отжиг ленты, полосы, проволоки). Специализированная на термической обработке печь должна обеспе- чивать заданный технологией температурно-временной режим обработки изделия и высокую равномерность нагрева изделия. Обычные нагреватель- ные печи не всегда в состоянии обеспечить необходимую в термообработке равномерность и точность нагрева. Так, при нагреве слитков под обработку 125 давлением удельный перепад температу- ры в конце нагрева должен быть не бо- лее 100-300 °С на 1 метр толщины, а при нагреве загото- вок – не более 1000 °С на 1 метр толщины. Как при нагреве слитков, так и заготовок абсо- лютное значение пе- репада температуры составляет 50-70 °С. При термической же обработке металло- продукции перепад температуры по се- чению в конце ре- жима термообработ- ки чаще всего дол- жен вообще отсут- ствовать или состав- лять не более 5-10 °С. Когда говорят о перепадах температур, то в термиче- ских печах подразумевают перепад не по сечению, а по объему садки ме- талла. Фактически – это разброс температуры по объему садки. Его вели- чина обычно составляет 5-10 °С, в то время как в нагревательных печах разброс температур может быть 80-100 °С и больше. Поэтому и говорят, что при термообработке очень жесткие требования по равномерности на- грева. В качестве примера рассмотрим самые распространённые пламенные термические печи из всего многообразия пламенных и электрических пе- чей. Особенность пламенных печей – они отапливаются газом. Мазут и твёрдое топливо практически не используются. Составление материального и теплового балансов термических печей имеет особенность, связанную с почти полным отсутствием окисления ме- талла в процессе нагрева из-за малого уровня температур. Фактически ма- териальный баланс можно свести к материальному балансу горения топли- ва, рассчитанному или на 1 кг топлива, или на 1 м 3 топлива, или на 1 Дж химической энергии топлива. Ориентировочный материальный баланс термической печи приведен в табл. 7.1. Рис. 7.1. Характерные режимы термообработки в термических печах: а - закалка (индекс "з") и нормализация (индекс "н") в про- ходной печи; б - отжиг в камерной печи t г - температура дыма; t 0 - начальная температура металла; t п - температура поверхности металла; t с - температура сере- дины металла; q п τ - плотность теплового потока на поверх- ности металла в процессе нагрева 126 Таблица 7.1 Ориентировочный материальный баланс процессов в рабочем пространстве термической печи (кг/м 3 топлива и кг/МДж топлива) Приход кг/м 3 топл. кг/МДж топл. Расход кг/м 3 топл. кг/МДж топл. 1. Топливо (природный газ) 0,8 0,022 1. Продукты горения 13,8 0,381 2. Воздух для горения топлива 13,0 0,359 Итого 13,8 0,381 Итого 13,8 0,381 Тепловые балансы термических печей похожи на балансы соответст- вующих нагревательных печей, хотя существуют некоторые особенности, которые будут даны при рассмотрении этих печей. 7.1. Камерные термические печи Камерная печь – печь с близкими по значению длиной, шириной и вы- сотой рабочего пространства и с одинаковой во всех его точках температу- рой, предназначенная для нагрева или термической обработки материалов. Типичный представитель камерной печи для нагрева – нагревательный ко- лодец. Из термических камерных печей известны камерные печи с вы- движным (выкатным) подом, камерные печи с неподвижным подом (с внешней механизацией) и колпаковые печи. Одно из основных отличий режимов нагрева и режимов термообработки в близких по конструкции пе- чах состоит в том, что в термических печах часто реализуется режим: при заданном законе изменения температуры поверхности металла. Такой ре- жим выдержать на практике гораздо труднее, т.к. он предполагает постоян- ную корректировку температуры печной атмосферы во времени. Преимущество камерных печей – их универсальность в создании раз- нообразных температурно-временных условий. Недостатки: 1) большие по- тери теплоты на аккумуляцию кладкой при периодических загрузках – вы- грузках металла; 2) печи не отвечают требованиям поточного производст- ва. Поэтому камерные печи применяются там, где нельзя использовать проходные печи, например, при сложных режимах термообработки, типа отжига. Следует отметить особенности работы горелок в камерных термиче- ских печах. Во-первых, в рабочем пространстве наблюдаются низкие рабочие температуры, находящиеся на уровне температуры воспламенения топлива и ниже. Поэтому для обеспечения стабильной работы горелок их надо ос- нащать запальниками (чаще электрическими). 127 Во-вторых, в камерной термической печи сильно изменяется (в 10-20 и более раз) тепловая мощность и, соответственно, расход топлива. В пери- од нагрева мощность максимальна, а в период выдержки может упасть поч- ти до нуля. Стандартные же горелки нагревательных печей допускают ре- гулирование расхода газа в диапазоне 1:4. Поэтому на камерных термиче- ских печах должны устанавливаться специальные горелки с широким диа- пазоном регулирования (1:10, 1:20 и выше). В-третьих, в камерных термических печах, как правило, недопустима работа горелок непосредственно в рабочем пространстве, т.к. это вызывает неравномерность нагрева садки от факела. Поэтому горелки устанавливают или в подподовых топках или в форкамерных топках. Форкамерные топки – небольшие топки в боковых стенах для предварительного сжигания топ- лива с коэффициентом расхода воздуха 0,8. От этих топок дым вводится в рабочее пространство с помощью инжекционных устройств за счёт высо- коскоростных струй воздуха, что создаёт хорошую циркуляцию дыма, омывающего садку. 7.1.1. Камерная печь с выкатным подом Печь с выкатным подом – печь, в которой загрузка и выгрузка металла производятся цеховым краном на подину, выкатываемую относительно стен и свода печи. Эту печь используют в тех случаях, когда масса садки велика и имеет сложную "архитектуру", например, садка располагается в несколько слоёв. Пример печи с выкатным подом приведён на рис. 7.2. Печь работает следующим образом. В разогретой пустой печи поднимается заслонка и подина, опираясь на катки, выкатывается на площадку перед печью. Часто вместо катков ис- пользуют колеса, прикрепляемые к раме подины и движущиеся по специ- ально уложенным рельсам. С помощью подъёмного крана на выкатанную подину укладывается садка металла в определённом порядке. В это время горелки не работают, а стены и свод интенсивно отдают теплоту излучени- ем на то место, где только что стояла подина. Поэтому место под подиной должно быть теплоизолировано. После загрузки всей садки подина вкаты- вается обратно, заслонка закрывается и включаются горелки. Горелки рас- полагаются в нижней части боковых стен (на рис. 7.2 – 14 горелок; по 7 штук на каждой стене). Часто горелки располагаются в два ряда и сжига- ние топлива практикуется в форкамерах. В данном примере горелочные камни подобраны таким образом, что они создают факел под некоторым углом к стене для обеспечения интенсивной циркуляции дыма и макси- мальной равномерности нагрева садки. Продукты горения удаляются из ра- бочего пространства через дымовые окна в боковых стенках. В данном примере 16 каналов, по 8 в каждой стенке. Дым проходит по подъемным 128 дымовым каналам и поступает в сборные каналы, располагаемые вдоль стен печи над сводом. Из сборных каналов дым поступает в общий канал, в котором находится рекуператор для подогрева воздуха. Охлажденный в ре- куператоре дым направляется в дымовую трубу и выбрасывается без очи- стки в атмосферу. После завершения процесса термообработки подина вы- катывается и металл заменяется на холодный. Далее процесс повторяется. Технологический процесс контролируется термопарами, вставляемы- ми через специально предусмотренные отверстия в стенах. Число смотро- вых и рабочих окон ограничено одним, закрытым в нормальном состоянии заслонкой. Газоплотность печи обеспечивается системой песочных затворов, ко- торые установлены между подиной и всеми стенами, а также между поди- ной и заслонкой. Пример теплового баланса печи с выкатным подом приведен в табл. 7.2 и 7.3. Здесь приняты следующие условия: а) нагрев садки слябов (144 тонны) от 20 до 750 °С с примерно постоянной скоростью в течение 19,3 часа; б) выдержка при 750 °С в течение 8 часов. Соответственно, ба- ланс разбивается на два самостоятельных баланса: периода нагрева и пе- риода выдержки. Эти балансы легко объединяются в один баланс простым суммированием. Рис. 7.2. Камерная печь с выкатным подом: 1 - заслонка; 2 - механизм подъёма заслонки; 3 - дымовой канал для соединения сборных каналов; 4 - рекуператор; 5 - металлический каркас; 6 - подъемный дымовой канал; 7 - сборные каналы, располагаемые вдоль стен над сводом; 8 - рабочее пространство пе- чи; 9 - горелки; 10 - горелочный камень; 11 - песочный затвор; 12 - дымовые окна; 13 - отверстие для термопары; 14 - подина; 15 - ролики (катки, колёса); 16 - механизм пе- ремещения подины 129 Таблица 7.2 Ориентировочный тепловой баланс камерной печи с выдвижным подом в период нагрева (на 1 кг нагретого металла) Приход кг кДж % Расход кг кДж % 1. Химическая энергия топ- лива 1124 97,3 1. Физическая теплота нагретого металла (t = 750 °С) 498 43,1 2. Физическая теплота воз- духа для горения (t = 20 °С) 16 1,4 2. Физическая теплота продуктов горения топлива (t = 800 °С) 402 34,8 3. Физическая теплота метал- ла (t = 20 °С) 13 1,1 3. Потери теплоты на аккумуляцию кладкой и каркасом печи 97 8,4 4. Физическая теплота топли- ва (t = 20 °С) 2 0,2 4. Потери теплоты теплопроводно- стью через кладку 61 5,3 5. Потери теплоты на нагрев опор- ных устройств 31 2,7 6. Прочие потери 66 5,7 Итого 1155 100,0 Итого 1155 100,0 Таблица 7.3 Ориентировочный тепловой баланс камерной печи с выдвижным подом в период выдержки (на 1 кг нагретого металла) Приход кг кДж % Расход кг кДж % 1. Физическая теплота металла (t = 750 °С) 498 93,3 1. Физическая теплота нагретого металла (t = 750 °С) 498 93,3 2. Химическая энергия топлива 34,7 6,5 2. Потери теплоты теплопро- водностью через кладку 24 4,5 3. Физическая теплота воздуха для горения (t = 20 °С) 1,2 0,2 3. Физическая теплота продук- тов горения топлива (t = 800 °С) 12 2,2 4. Физическая теплота топлива (t = 20 °С) 0,1 0,0 Итого 534 100,0 Итого 534 100,0 В данном примере удельный расход условного топлива составил (1124 + 34,7) / 29,3 = 40 кг у.т./т металла. Удельный расход условного топ- лива в печи выкатным подом сильно зависит от режима термической обра- ботки – температур в печи и длительности пребывания металла в печи. Так, отжиг при температуре печи 800-950 °С требует расхода топлива 40- 130 кг у.т./т металла. Отпуск (при температуре печи 550 °С) требует расхо- да 25-60 кг у.т./т металла. Меньшие цифры относятся к термообработке за более короткое время. Для сокращения расхода топлива можно рекомендовать следующее: 1. совершенствование системы отопления для интенсификации циркуля- ции дыма, быстрого и равномерного нагрева металла. Здесь подразуме- 130 вается использование специальных форкамер, горелок, воздушных со- пел, а также их количество и расположение; 2. в период выкатки подины закрытие оголяемого подподового простран- ства экраном в виде отражательной плёнки, цепляемой к заднему торцу подины; 3. разделение функций нагрева и выдержки между разными печами с пе- ресадкой садки из одной печи в другую по ходу процесса, чтобы печи работали при постоянной мощности; 4. использование волокнистых теплоизоляционных материалов в кладке печи; 5. использование регенеративных горелок с шариковой насадкой; 6. применение импульсной системы отопления. 7.1.2. Камерная печь с неподвижным подом (печь с внешней механизацией) Камерная печь с внешней механизацией – печь, в которой загрузка и выгрузка металла происходит за счет механических устройств, располо- женных за пределами печи. Эта печь не имеет тех потерь теплоты, которые есть в печи с выкатным подом при погрузке металла на подину. Но, с дру- гой стороны, загрузка металла в печь с внешней механизацией усложнена. Обычно для крупных печей используется мощная напольная загрузочная машина, перемещающаяся по рельсам вдоль торцов загрузки ряда печей и обслуживающая эти печи. Если на заводе (в цехе) планируется иметь 1- 2 печи, то нет смысла иметь громоздкую напольную машину, а надо иметь печи с выкатным подом. Пример печи с неподвижным подом представлен на рис. 7.3. Особен- ность данной печи в наличии подподовой топки для сжигания топлива. Принцип работы печи следующий. Перед загрузкой садку готовят, т.е. укладывают на специальные подставки. Далее лапы напольной машины пропускаются под эти подставки и вся садка полностью отвозится наполь- ной машиной к нужной печи. В печи поднимается заслонка и на лапах на- польной машины садка заносится в печь. После этого лапы опускаются в специально предусмотренные углубления в подине, передавая садку поди- не, и вытаскиваются из печи. Заслонка закрывается. Подставки, на которые укладывалась садка, остаются в печи на всё время термообработки, исполь- зуются многократно и поэтому они выполняются из жаропрочной стали. После загрузки садки включаются горелки в подподовых топках. Об- разовавшиеся продукты горения проходят под подиной и поступают в ра- бочее пространство через канал 7 (рис. 7.3). Через рециркуляционный ка- нал 11 в подподовую топку подсасываются газы из рабочего пространства. В результате этого снижается уровень температуры газов, выходящих в ра- 131 бочее пространство, и обеспечивается интенсивная циркуляция печных га- зов. Отвод отработанного дыма происходит через отверстия в боковых стенках на уровне подины и возле свода. Отверстия и вертикальные каналы для отвода дыма хорошо видны на разрезе А-А пунктирными линиями. Дым с левой и правой стенок печи собирается в один канал (на рис. 7.3 не показано) и далее через рекуператор уходит к дымовой трубе. Обычно не- сколько печей обслуживаются одной дымовой трубой. Печь достаточно газоплотна, единственный песочный затвор устанав- ливается между заслонкой и подиной. Как и другие камерные печи, печь не имеет дополнительных смотровых окон. Ориентировочный тепловой баланс печи с неподвижным подом при- веден в табл. 7.4. Данный баланс составлен при следующих условиях: на- грев садки массой 320 кг под закалку от 20 до 850 °С с конечным перепа- дом температур по сечению 5 °С. В данном примере удельный расход топлива составил 3716 / 29,3 = 127 кг у.т./т металла из-за высокой температуры уходящих из печи продуктов горения и отсутствия теплоутилизирующих устройств. В целом, удельный расход топлива в печи с внешней механизацией меньше, Рис. 7.3. Камерная печь с внешней механизацией: 1 - рабочее пространство; 2 - каркас; 3 - отверстия для термопар; 4 - дымоотводящие ка- налы; 5 - заслонка; 6 - подподовая топка; 7 - канал входа дыма в рабочее пространство; 8 - сборный канал для дыма; 9 - механизм подъёма заслонки; 10 - углубления в подине для лап напольной машины; 11 - рециркуляционный канал; 12 - горелка 132 чем в печи с выкатным подом, и составляет при отжиге (температура печи 840 °С) в зависимости от длительности процесса термообработки около 40- 140 кг у.т./т металла. Таблица 7.4 Ориентировочный тепловой баланс камерной печи с неподвижным подом (на 1 кг нагретого металла) Приход кг кДж % Расход кг кДж % 1. Химическая энергия топлива 3716 98,4 1. Физическая теплота нагретого металла (t = 850 °С) 580 15,4 2. Физическая теплота воздуха для горения (t = 20 °С) 49 1,3 2. Физическая теплота продук- тов горения топлива (t = 1045 °С) 2079 55,0 3. Физическая теплота металла (t = 20 °С) 8 0,2 3. Потери теплоты на аккумуля- цию кладкой 469 12,4 4. Физическая теплота топлива (t = 20 °С) 5 0,1 4. Потери теплоты теплопро- водностью через кладку 403 10,7 5. Потери теплоты излучением при посаде и выдаче садки 247 6,5 Итого 3778 100,0 Итого 3778 100,0 Для снижения расхода топлива можно предложить следующее: 1. совершенствование системы отопления для улучшения циркуляции дыма в рабочем пространстве, например, путём совмещения форка- мерного и подподового сжигания топлива, применением импульсной системы отопления; 2. разделение функций нагрева и выдержки между разными печами с пе- ресадкой садки из одной печи в другую по ходу процесса термообра- ботки; 3. оптимизация температурного режима термообработки путём макси- мально быстрого прохождения первой стадии нагрева; 4. использование современных теплоизоляционных материалов в кладке печи; 5. организация отопления печи регенеративными горелками с шариковой насадкой. |