печи. ПЕЧИ ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ. Печи черной металлургии 41. Технологические цепочки в металлургии
 Скачать 2.15 Mb.
|
|
7.1.3. Колпаковая печь Колпаковая печь – печь периодического действия для термообработки рулонов ленты, листов и бунтов проволоки. Отличительная особенность колпаковой печи – наличие двух колпаков: внутреннего, предохраняющего металл от окисления (муфеля), и наружного, футерованного огнеупорным кирпичом, на котором монтируются горелки или электрические нагревате- ли. Муфель выполняется из жароупорной стали. Герметизация колпаковой 133 печи достигается применением песочных затворов. Обычно для ускорения нагрева металла с помощью внутреннего циркуляционного вентилятора создают интенсивную циркуляцию защитного газа под муфелем. Принципиальные отличия имеют колпаковые печи для отжига листов, уложенных в стопу; колпаковые печи одностопные, колпаковые печи трёх- стопные и колпаковые печи для отжига распушенных рулонов. Из этого многообразия конструкций наиболее распространена одностопная печь. Она лучше других вписывается в поточное производство, нагревает металл достаточно равномерно и быстро, даёт низкую себестоимость нагрева и до- вольно низкий расход топлива. Пример одностопной колпаковой печи приведен на рис. 7.4. Время нагрева в колпаковой печи является главным фактором, влияющим на расход топлива. Время зависит от условий теплообмена на торцах и боковой поверхности рулонов металла. Известно, что для прогрева плотносмотанных рулонов в радиальном направлении требуется времени в не- сколько раз больше, чем для прогрева в аксиальном направлении. Это связано с тем, что коэффициент теплопроводности в радиальном направлении для стали со- ставляет только 1,5-4 Вт/(м ⋅К), а в акси- альном направлении около 30 Вт/(м ⋅К). Низкие значения коэффициента тепло- проводности в радиальном направлении связаны с наличием воздуха между вит- ками рулона. Для обеспечения подвода необходимого количества теплоты к тор- цам рулонов служат специальные устрой- ства, называемые конвекторными кольца- ми и размещаемые между рулонами. Они представляют собой набор узких парал- лельных спиралевидных каналов между плоскими пластинами. По каналам прохо- дит горячий защитный газ, отдающий свою теплоту. Высота конвекторных ко- лец – 50-120 мм. Равномерность нагрева металла оп- ределяется типом направляющего аппара- та, расположенного в самом низу муфеля. Внутри аппарата располагается рабочее колесо циркуляционного вентилятора. Рис. 7.4. Схема колпаковой печи: 1 - вход в дымовой боров; 2 - ин- жектор; 3 - кольцевой канал сжа- того воздуха; 4 - конвекторное кольцо; 5 - рулон; 6 - нагреватель- ный колпак; 7 - крышка; 8 - двой- ной муфель; 9 - рабочее колесо вентилятора; 10 - газопровод; 11 - горелка; 12 - песочный затвор 134 Защитная атмосфера подсасывается в аппарат сверху вниз и распределяется по периферии. Принцип работы колпаковой печи определяется технологическим процессом, который делится на три примерно одинаковые стадии: нагрев до 650-800 °С, охлаждение под муфелем до 150 °С и без него и последняя стадия –разгрузка и загрузка стенда. Равенство времени по стадиям позво- ляет использовать три стенда с одним нагревательным колпаком и двумя муфелями. Загрузка металла заканчивается опусканием на стенд поверх стопы рулонов муфеля и нагревательного колпака. После этого подаётся защитный газ (обычно смесь из 95 % N 2 и 5 % Н 2 ) и с помощью циркуляци- онного вентилятора осуществляется его циркуляция. Затем включаются го- релки. Продукты горения проходят между нагревательным колпаком и му- фелем и при помощи инжектора (инжектирующая среда – компрессорный воздух) удаляются в дымоотводы и в дымовой боров. Температура дыма перед инжектором около 630-660 °С. В колпаковых печах физическая теп- лота дыма обычно не утилизируется, что можно считать одним из недос- татков печей. Защитный газ подается циркуляционным вентилятором в зазор между муфелем и рулонами стопы. Газ равномерно распределяется по конвектор- ным кольцам и через них попадает во внутренние полости рулонов, омывая их. Опускаясь по внутренней полости стопы газ возвращается в циркуля- ционный вентилятор. Кольца получают теплоту от защитного газа конвек- цией и нагревают рулоны. Муфель излучает на боковую поверхность ме- талла, но тепловой поток несущественен для нагрева рулонов из-за отме- ченного ранее низкого коэффициента теплопроводности в радиальном на- правлении. Исключение делается для верхнего рулона, который получает теплоту на свой торец. Поэтому верхний рулон всегда греется быстрее дру- гих. В наихудших условиях нагрева и охлаждения находится нижний ру- лон. Проблемой является низкий коэффициент теплоотдачи от муфеля к защитному газу, в результате чего вынужденно поддерживаются высокими температура муфеля и температура дыма под нагревательным колпаком. Это приводит к повышенной температуре уходящих газов и высокому рас- ходу топлива. Ориентировочный вид теплового баланса камеры сжигания топлива колпаковой печи (под нагревательным колпаком) приведен в табл. 7.5. При составлении баланса принято следующее. Происходит нагрев стопы из 4 рулонов стальной ленты диаметром 2,2 метра от 60 до 720 °С. Масса садки – 110,4 тонны. Время нагрева – 50 часов. Допустимая разница температур по объему садки – 50 °С. Топливо – коксодоменная смесь с низшей теплотой сгорания 6,65 МДж/м 3 В данном примере удельный расход топлива составил 1129/29,3 = 39 кг у.т./т металла. Обычно удельный расход топлива в одностопных кол- 135 паковых печах в зависимости от режима термообработки составляет от 35 до 50 кг у.т./т металла. Таблица 7.5 Ориентировочный тепловой баланс колпаковой печи (на 1 кг нагретого металла) Приход кг кДж % Расход кг кДж % 1. Химическая энергия топлива 1129 96,7 1. Физическая теплота нагретого металла (t = 705 °С) 437 37,4 2. Физическая теплота металла (t = 60 °С) 29 2,5 2. Физическая теплота продук- тов горения топлива (t = 900 °С) 615 52,6 3. Физическая теплота воздуха для горения (t = 20 °С) 6 0,5 3. Потери теплоты теплопро- водностью через кладку 66 5,7 4. Физическая теплота топлива (t = 20 °С) 4 0,3 4. Прочие потери теплоты 50 4,3 Итого 1168 100,0 Итого 1168 100,0 Пути экономии топлива в колпаковых печах: 1. использование рекуператоров для подогрева воздуха до 350-390 °С, что снижает расход топлива на 17-20 %; 2. интенсификация теплообмена между нагревательным колпаком и му- фелем (специальная обмазка внутренней поверхности нагревательного колпака, скоростные горелки и т.п.); 3. разработка оптимальной конструкции конвекторных колец, обеспечи- вающих высокую теплоотдачу к торцам рулонов и имеющих низкое гидравлическое сопротивление; 4. применение в кладке волокнистых огнеупорных материалов, позво- ляющих примерно в 2 раза снизить потери теплоты на аккумуляцию кладки; 5. разработка конструкции печи с условиями теплообмена на всех торцах рулонов, похожими на условия для верхнего торца верхнего рулона; 6. замена двух колпаковых печей одной реверсивной печью, принцип ко- торой 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; 7. изменение схемы подачи защитного газа: газ подается циркуляцион- ным вентилятором не по периферии, а по центру рулона и через кон- векторные кольца выбрасывается струями на стенки защитного муфе- ля. При этом резко увеличивается теплоотдача на внутренней поверх- ности муфеля, что приводит к сокращению времени цикла термообра- ботки на 20-30 % и сокращению расхода топлива. 136 7.2. Проходные термические печи Проходная термическая печь по принципу работы соответствует на- гревательной проходной печи, но в силу некоторых причин для нагрева ме- талла под деформацию не используется. Основные типы узкоспециализированных проходных термических пе- чей: конвейерная печь, роликовая печь и протяжная печь. Из этих печей конвейерная и роликовая печь могут быть применены для нагрева металла, но не используются по экономическим соображениям, т.к. имеют большие потери теплоты с транспортирующими устройствами (конвейер и ролики охлаждаются: конвейер – на воздухе, а ролики – водой или воздухом), а элементы конвейера и ролики имеют низкую стойкость при высоких тем- пературах. С другой стороны, обычные нагревательные печи (печи с шагающим подом, кольцевые печи, секционные печи и др.) используются при терми- ческой обработке металла с некоторыми изменениями в конструкции, та- кими, как замена горелок, исключение контакта металла с факелом, повы- шение герметичности кладки и т.п. 7.2.1. Конвейерная печь Конвейерная печь – печь, снабжённая внутренним конвейером (лен- точным, люлечным, цепным, скребковым), перемещающим нагреваемые изделия от загрузочного отверстия печи к выгрузочному. В металлургии конвейерная печь чаще всего имеет цепной конвейер. Металл в такой печи нагревается до температуры 850 ÷900 °С и реже до 1000-1050 °C. Эта тем- пература ограничена сверху стойкостью конвейерной цепи и определяется маркой стали цепи. Круговое движение цепи происходит за счёт зубчатых колёс (звёздо- чек), расположенных в противоположных концах печи за пределами рабо- чего пространства. В качестве примера на рис. 7.5 показана конвейерная печь. Особенно- сти печи: а) нагрев и изотермическая выдержка рельсов; б) наличие инжек- ционных горелок в подподовых каналах; в) плоский подвесной свод; г) прямо-противоточный режим работы. Печь работает следующим образом. Рельсы длиной 25 метров подают- ся рольгангом к торцу загрузки (на рис. 7.5 – справа) и передаются с роль- ганга на цепной конвейер. Проходя первую половину печи, рельсы нагре- ваются движущимися навстречу продуктами сгорания топлива до 450-600 °С. Во второй половине печи продукты горения движутся в одном направлении с металлом и таким образом поддерживается достигнутая температура металла. При выходе из печи рельс передаётся с цепного кон- вейера на отводящий рольганг. 137 Продукты горения образуются от сжигания топлива в подподовых топках с использованием инжекционных горелок. По длине печи имеются две топки, а по ширине печи – около 15 топок. Соответственно длина печи около 13 метров, а ширина около 27 метров. Дым поступает в рабочее про- странство печи через специальные отверстия в сводиках подподовых топок, омывает рельсы, двигающиеся на конвейере, и через металлические дымо- отводы окна посада и окна выдачи удаляются на дымовую трубу. Дым не используется для подогрева воздуха и газа. Печь отапливается коксодомен- ной смесью с теплотой сгорания 5500 кДж/м 3 Недостатки конвейерной печи: 1) большой вынос теплоты из рабочего пространства элементами цепи; 2) низкая стойкость цепи; 3) неравномер- ный прогрев металла в месте контакта с цепью. Ориентировочный тепловой баланс конвейерной печи приведен в табл. 7.6. Баланс составлен для случая нагрева перед закалкой полосовых заготовок толщиной 10 мм. Печь оборудована цепным конвейером, имеет 3 зоны отопления, длина печи 9 метров. Производительность 2 т/час. Темпе- ратура нагрева металла 890 °C. Защитная атмосфера отсутствует. Рис. 7.5. Схема конвейерной печи: 1 - газопровод; 2 - горелка; 3 - отводящий рольганг; 4 - дымоотбор; 5 - держатели подвес- ного свода; 6 - дымовой канал; 7 - рабочая площадка; 8 - смотровое окно; 9 - отверстия в своде подподовой топки; 10 - подподовая топка; 11 - подводящий рольганг; 12 - привод; 13 - цепь; 14 - канал для возврата цепи 138 Таблица 7.6 Ориентировочный тепловой баланс конвейерной печи (на 1 кг нагретого металла) Приход кг кДж % Расход кг кДж % 1. Химическая энергия топлива 1975 91,3 1. Физическая теплота нагретого металла (t = 890 °С) 596 27,5 2. Физическая теплота цепного конвейера (t = 300 °С) 165 7,6 2. Физическая теплота продук- тов горения топлива (t = 800 °С) 699 32,4 3. Физическая теплота воздуха для горения (t = 20 °С) 14 0,6 3. Физическая теплота цепного конвейера (t = 890 °С) 596 27,5 4. Физическая теплота металла (t = 20 °С) 10 0,5 4. Потери теплоты теплопро- водностью через кладку 195 9,0 5. Физическая теплота топлива (t = 20 °С) 1 0,0 5. Прочие потери теплоты 79 3,6 Итого 2165 100,0 Итого 2165 100,0 В данном примере удельный расход условного топлива составил 1975/29,3 = 67 кг у.т./т металла. В целом удельный расход условного топ- лива в конвейерной печи находится в широких пределах и зависит от от- ношения массы нагреваемого металла к массе транспортирующих уст- ройств, а также от температуры нагрева металла. Чем выше это отношение масс и чем ниже температура нагрева, тем ниже расход топлива. Так, низ- кие расходы топлива имеют печи для изотермической выдержки массив- ных рельсов при температуре 450-600 °С: всего 30-35 кг у.т./т металла. При термообработке легковесных изделий при высокой температуре расход то- плива может составлять 100-115 кг у.т./т металла. Для сокращения расхода топлива в конвейерной печи можно рекомен- довать следующее: 1. применение менее массивных цепей из жаростойких сталей с хорошей стойкостью против трения; 2. использование теплоты нагретых цепей для подогрева воздуха, напри- мер, путём забора вентилятором воздуха из нижних каналов для воз- врата цепей; 3. установку газоплотного рекуператора для подогрева топлива теплотой дымовых газов; 4. интенсификацию конвективного теплообмена в рабочем пространстве печи путём организации рециркуляции дымовых газов. 7.2.2. Роликовая печь Роликовая печь – проходная печь непрерывного действия, подина ко- торой состоит из большого числа вращаемых специальным приводом роли- ков, выполненных из жаропрочной стали или водоохлаждаемых. Ролико- 139 вые печи отапливаются, главным образом, газообразным топливом с ис- пользованием большого числа горелок или радиационных труб, располо- женных на продольных стенах печи выше и ниже роликов; существуют также электрические печи. Роликовые печи применяют для термической обработки металлических изделий и, реже, для нагрева металла перед горя- чей обработкой давлением. Преимущество роликовой печи перед другими печами проходного ти- па одно: роликовая подина наилучшим образом соответствует условиям поточного производства, т.к. она легко встраивается в цеховые рольганги. В частности, роликовая печь лучше других печей подходит под роль по- догревательной печи полураската (см. структурную схему на рис. 1.2). Самым ответственным элементом роликовой печи являются ролики. Их стойкость зависит от температуры в печи и ширины печи. Печи с тем- пературой газа 800-1000 °С оснащают неохлаждаемыми роликами, а с тем- пературой 1000-1200 °С – роликами с водоохлаждаемым несущим валом, пространство между которым и бочкой заполнено теплоизолятором. В лю- бом случае в роликах охлаждают цапфы (для справки: цапфа – часть оси или вала, опирающаяся на подшипник). В подавляющем большинстве слу- чаев ролики делают водоохлаждаемыми, с гладкой бочкой из жаропрочной хромоникелевой стали. Во избежание деформации бочки ролика, он дол- жен вращаться постоянно, – остановки допустимы не дольше, чем на 3- 4 минуты. Кладка рабочего пространства печи выполняется из шамотного кир- пича (внутренний слой) и любого теплоизоляционного материала (наруж- ный слой). Пример роликовой печи приведён на рис. 7.6. Печь предназначена для нагрева под закалку листов, пачек листов и сортового проката. Габариты рабочего пространства 2 ×2×20 метров. В отличие от обычных конструкций термических печей, в данной конструкции горелки создают факел прямо в рабочем пространстве, т.е. отсутствуют форкамеры, радиационные трубы и подподовые топки. Такая конструкция больше подходит для нагрева ме- талла перед деформацией, но в отдельных случаях с особой осторожностью может использоваться и для сложной термообработки типа отжиг. Потен- циальные возможности данной печи для проведения качественной изотер- мической выдержки заложены в двустороннем по длине печи дымоотборе и организации прямо-противоточного режима тепловой обработки металла в среде продуктов горения. Печь работает следующим образом. Металл для термообработки по- ступает на приёмный стол прямо с рольганга, если печь встроена в техно- логическую линию, или подаётся краном (например, пачки листов). За- слонка торца посада открывается и металл заходит в печь в дополнение к имеющейся садке; заслонка опускается. Металл постепенно проходит по 140 постоянно вращающимся роликам и нагревается до необходимой темпера- туры (1150 °С). Благодаря боковому расположению горелок, возможен не только простой нагрев под закалку (нормализацию) или высокий отпуск, но и более сложный изотермический отжиг (нагрев до 750-800 °С, выдержка, охлаждение до 600-700 °С, выдержка). После завершения термообработки готовый металл выдаётся на роль- ганг выдачи, соединённый с камерой ускоренного водяного охлаждения (закалка). Таким образом, печь постоянно пополняется холодным металлом и постепенно выдаёт нагретый металл. Продукты горения топлива образуются непосредственно в рабочем пространстве печи от работы двухпроводных пламенных горелок. Прибли- зительно до середины печи дым идёт навстречу металлу (в противотоке), а далее в прямотоке. Дым удаляется из печи вниз по вертикальным каналам в районе торцов печи, далее соединяется в единый поток, проходит рекупе- ратор для подогрева воздуха и через дымовую трубу выбрасывается в ат- мосферу. Ориентировочный тепловой баланс роликовой печи приведен в табл. 7.7. При составлении баланса приняты следующие исходные данные: а) нормализация труб диаметром 42 мм, объединенных в пакеты; б) произ- Рис. 7.6. Схема роликовой печи: 1 - приёмный стол; 2 - механизм подъёма заслонки; 3 - площадка для обслуживания тер- мопар; 4 - горелки; 5 - ролики; 6 - отверстия для термопар; 7 - дымовой боров; 8 - подвод и отвод охлаждающей воды; 9 - устройство для вращения роликов 141 водительность печи 24 т/час; в) нагрев металла от 20 до 950 °С в трех зонах регулирования в течение 0,117 часа; г) двусторонний нагрев металла в ат- мосфере защитного газа тупиковыми радиационными трубами диаметром 152 мм; д) из водоохлаждаемых элементов в роликах присутствуют только цапфы. Таблица 7.7 Ориентировочный тепловой баланс роликовой печи (на 1 кг нагретого металла) Приход кг кДж % Расход кг кДж % 1. Химическая энергия топли- ва, сжигаемого в радиацион- ных трубах 1186 89,8 1. Физическая теплота нагретого металла (t = 950 °С) 657 49,7 2. Физическая теплота возду- ха для горения (t = 280 °С) 123 9,3 2. Физическая теплота продуктов горения топлива (t = 800 °С) 484 36,7 3. Физическая теплота метал- ла (t = 20 °С) 10 0,8 3. Потери теплоты при охлаждении цапф роликов и теплопроводно- стью через фланцы роликов 124 9,4 4. Физическая теплота топли- ва (t = 20 °С) 1 0,1 4. Потери теплоты теплопроводно- стью через кладку 21 1,6 5. Потери теплоты на нагрев уте- чек защитного газа, теряемого в атмосферу 1 0,1 6. Прочие потери теплоты 33 2,5 Итого 1320 100,0 Итого 1320 100,0 В данном примере удельный расход условного топлива составляет 1186/29,3 = 40 кг у.т./т металла. В целом расход топлива в роликовых печах колеблется от 40 до 200 кг у.т./т металла. Так, удельный расход условного топлива в высокотемпературных роликовых печах при нагреве металла под закалку до 1150 °С составляет до 200 кг у.т./т металла, что больше, чем в других печах за счет больших потерь на охлаждение роликов. Для сокращения расхода топлива возможны следующие варианты: 1. уменьшение поверхности (диаметра) теплообмена роликов и количест- ва роликов исходя из расчётной механической прочности при мини- мальных коэффициентах запаса прочности; 2. создание эффективной теплоизоляции бочки роликов; 3. сокращение времени термообработки за счёт повышения качества на- грева. Качество возможно повысить заменой обычных горелок на го- релки с форкамерами или на радиационные трубы; 4. интенсификация конвективного теплообмена в рабочем пространстве печи (создание развитой рециркуляции, струйный нагрев сводовыми горелками в первом периоде нагрева и т.п.). |