1 Загальна характеристика нагрівальних печей
Нагрівальними печами зазвичай називають печі, в яких здійснюється нагрівання металу перед обробкою тиском (прокаткою, куванням). Часто прокатку металу ведуть послідовно на декількох станах, що визначає і склад парку печей.
Продуктивність, що будуються, прокатних станів безперервно збільшується. Тому загальною тенденцією в розвитку печей є інтенсифікація нагріву металу, що дозволяє збільшити продуктивність пічного агрегату.
Найбільш поширеним є нагрів прямокутних заготовок для чого застосовують печі періодичної (садочние) і постійного (прохідні) дії. У печах періодичної дії метал завантажується в повністю або частково остуженную піч, і потім поступово нагрівається разом з піччю. Такий метод нагрівання, коли температура печі змінюється в часі, застосовують при нагріванні великих злитків, які треба гріти повільно щоб уникнути виникнення надмірного температурного перепаду. У чорній металургії на періодичному режимі працюють нагрівальні колодязі-печі, в яких злиток, що стоїть вертикально, нагрівається з чотирьох сторін. Оскільки розміри злитків значні (товщина зазвичай близько 600 мм, маса близько 7 т), подібний нагрів з чотирьох сторін забезпечує необхідну рівномірність і продуктивність.
У печах постійної дії температура у часі залишається незмінною. Разом з тим температура по довжині робочого простору таких печей може змінюватися відповідно до необхідності створення доцільного режиму нагріву. Прохідні печі постійної дії - це найбільш поширені нагрівальні печі в чорній металургії. Вони дуже різноманітні як за способом транспортування заготовки через піч, так і за методами опалення. Це толкательние печі, печі з простує і роликовим подом; з торцевим, склепінчасті, боковим опаленням. У таких печах може здійснюватися як поступовий (методичний) режим нагріву, так і вельми форсований камерний режим.
Поряд з тепловим і температурним режимом для роботи печей велике значення має режим тиску в печі. Ідеальним був би такий режим тиску в печі, при якому холодне повітря не потрапляло б у піч, а димові гази не вибивалися б з печі. Якщо холодне повітря потрапляє в піч, то це призводить до зайвого витраті тепла і збільшує чад металу. Надмірне вибивання димових газів призводить до збільшення втрат тепла, згубно впливає на арматуру печі і утрудняє її обслуговування. Для забезпечення оптимального режиму тиску в нагрівальних колодязях прагнуть під кришкою підтримувати невеликий надлишковий тиск. У прохідних печах на рівні нагріваються заготовок також доцільно підтримувати невеликий надлишковий тиск, що виключає підсос повітря в піч і велика вибивання димових газів. Однак повністю витримувати такий тиск по всій довжині печі не вдається.
2 Печі для нагрівання злитків (нагрівальні колодязі)
Злитки металу, отримані в мартенівському, конвертерному або електросталеплавильному цехах, перед прокаткою на обтискному стані піддають додатковому нагріванню. Зазвичай товщина їх не менше 400 мм, тому для прискорення та підвищення якості нагріву доцільно гріти їх з чотирьох боків, маючи в своєму розпорядженні вертикально. Подібний нагрів досягається застосуванням нагрівальних колодязів, які в порівнянні з печами інших типів з точки зору умов нагрівання великих злитків відрізняються наступними особливостями:
вертикальним розташуванням злитків, що забезпечує прискорений і рівномірний нагрів металу, а також виключає можливість зміщення усадочної раковини;
зручністю транспортування, завантаження і вивантаження металу при вертикальному положенні злитків;
До нагрівальним криниць висувають певні вимоги:
досить швидкий нагрів металу, що забезпечує високу продуктивність (загальну і питому);
якісний нагрівання металу: рівномірність нагріву по висоті й перетину зливків без місцевих оплавлення;
ефективна робота повітро-і газоподогревателей, забезпечення невисокого питомої витрати палива;
можливість надійного автоматичного регулювання теплового режиму;
високі експлуатаційні якості (зручність видалення шлаку, повне спалювання палива в межах робочого простору, достатня герметизація робочого простору і теплообмінних пристроїв, достатня стійкість кришок і інших елементів нагрівальних колодязів);
найбільш проста конструкція та невисокі капітальні витрати на будівництво.
Кожен нагрівальний колодязь окремо називається осередком. Декілька клітинок складають групу. Для групи осередків передбачені одна димова труба і загальне приміщення для контрольно-вимірювальних приладів. Продуктивність нагрівальних колодязів зазвичай обчислюють на групу в рік. Знаючи продуктивність стану і продуктивність однієї групи, можна знайти необхідну кількість груп нагрівальних колодязів.
2.1 Тепловий і температурний режими
Сучасні нагрівальні колодязі є камерними печами періодичної дії зі змінним у часі тепловим і температурним режимом. У більшості нагрівальних колодязів нагрівання металу здійснюється садками, тобто після видачі всіх нагріваються злитків осередку колодязів знову завантажують злитками. При видачі та посадці злитків в результаті частого відкривання кришки кладка робочого простору нагрівальних колодязів охолоджується. Тому при роботі колодязів на гарячому посаді в перший момент нагріву температура злитків вище температури поверхні кладки і основний споживач тепла в цей період - кладка колодязя.
Витрата тепла підтримують максимальним до тих пір, поки температура тієї частини злитка, яка нагрівається швидше, не досягне граничного значення. Цей період називається періодом нагріву. Слідом за ним наступає період витримки, протягом якого відбувається поступове зменшення витрат тепла, так як протягом цього часу температура поверхні злитків залишається постійною і тепло витрачається тільки на прогрів злитку по перерізу. У цей період температура відхідних продуктів згоряння залишається приблизно постійною.
Теплову потужність нагрівальних колодязів вибирають так, щоб забезпечити швидкий підйом температури кладки і поверхні злитків на початку нагріву. При заниженою потужності період нагрівання затягнеться, а період витримки скоротиться, і повний цикл нагріву буде нераціонально великим. При завищеному максимальній витраті палива період нагрівання скоротиться, але збільшиться нерівномірність температури по перетину злитка і період витримки затягнеться. Це також викличе надмірне збільшення тривалості повного циклу нагрівання.
На роботу нагрівальних колодязів дуже великий вплив робить початкова температура злитків. Зазвичай нагрівальні колодязі працюють великою мірою на гарячому посаді, тобто в клітинку для нагрівання до температури прокатки (близько 1200 º С) поміщають ще не повністю остиглі після розливання злитки, температура яких 700 - 850 º С. Чим вище відсоток гарячого посаду і початкова температура злитків, тим більше продуктивність нагрівальних колодязів і тим нижча питома витрата тепла на нагрівання металу. Відсоток гарячого посаду і початкова температура злитків залежать від рівня організації виробництва на даному підприємстві. На тих заводах, де культура виробництва досить висока, гарячий посад досягає 95%, а початкова температура злитків перед нагріванням 800 - 850 º С.
Оптимальне значення теплової потужності (за хімічним тепла палива) лежить в межах 200 - 300 МДж / т садки. Робоча температура в нагрівальних колодязях становить 1350 - 1400 º С. Для забезпечення такої робочої температури потрібно спалювати паливо так, щоб калориметричних температура горіння досягала 2100 - 2200 º С.
1. Шлаковидалення. У процесі нагрівання металу відбувається його окислення. Новоутворена окалина стікає по гранях злитків на подину колодязів і повинна бути звідти видалено. Існують два методи видалення окалини: сухе шлаковидалення і рідке.
При сухому шлаковидалення на подину колодязя насипається дрібний коксик, який вбирає окалину і через 5 - 6 всадивши разом з нею видаляється через спеціальні люки. Потім зверху при відкритій кришці засипається і розрівнюється нова порція коксика.
Слідом за цим метал нагрівають знову.
При рідкому шлаковидалення коксик на поду відсутня; подину виконують з вогнетривких матеріалів, які не взаємодіють з окалиною (зазвичай хромомагнезіт); окалина в рідкому стані видаляється з пода осередку через спеціальну летку.
Кожному з цих методів притаманні область застосування, свої недоліки і переваги.
Недоліки сухого шлаковидалення:
непродуктивні витрати часу на засипку і видалення коксика;
уповільнений прогрівання і науглеражіваніе донної частини злитка, кілька втопленою в коксик;
необхідність мати в цеху сховище для коксу і погане санітарний стан цеху (при засипці коксика піднімається хмара пилу);
вкрай негативний вплив коксової пилу на кераміку регенераторів і рекуператорів.
Однак сухе шлаковидалення - це єдиний метод видалення окалини в таких конструкціях, де неможливо забезпечити жидкотекучесть окалини на поду осередки. Цією обставиною і визначається область застосування методу сухого шлаковидалення.
Рідке шлаковидалення дозволяє усунути недоліки, властиві сухому шлаковидалення; але і воно також не позбавлене нестачі, що полягає в тому, що при рідкому шлаковидалення нерівномірно зношується Подина колодязя, і злитки втрачають стійкість.
2. Футеровка та її служба. У нагрівальних колодязях найбільш уразливі наступні частини вогнетривкої футеровки:
подини і нижня частина стін, оскільки вони інтенсивно стикаються з окалиною і злитками;
ті пояса футеровки стін, на які спираються злитки;
футеровка кришки, так як вона схильна до дії найбільш високих температур, коливання температур і механічної дії у зв'язку з частим відкриванням і закриванням кришки;
кераміка регенераторів і рекуператорів (особливо верхні ряди), яка працює у важких умовах високих температур, різкої зміни температури, впливу газових потоків, що несуть окалину і пил.
Подину колодязів викладають зазвичай в три шари: 1) внутрішній із хромомагнезитового цегли, 2) шамотна цегла, 3) зовнішній теплоізоляційний шар з діатомітової цегли. При сухому шлаковидалення рівень подини по всій площі колодязів однаковий, при рідкому подину викладають з ухилом у бік шлакової льотки.
Стіни колодязів також виконують тришаровими. Зовнішній шар - теплоізоляційний, потім шар шамотної цегли. Внутрішній шар в нижній частині стін (приблизно на 1 м висоти) виконують з хромомагнезіта, решта з динасів. Найінтенсивніше стіни зношуються на тому рівні, де спираються злитки. У зв'язку з цим у цьому місці виконують виступ кладки всередину колодязя. Ці виступи викладають з динасів, хромомагнезіта, каолінового цегли. Стійкість виступів з динасів найменша.
В даний час застосовують кришки як з арочної футеровкой, так і з підвісним склепінням. І в тому, і в іншому випадку можна застосовувати шамотна цегла. Останнім часом для футеровки кришок все ширше використовують каоліновий цегла. Каоліновий цеглу в футеровці кришок значно більш стійкий, оскільки має великий вогнетривкістю і меншою додаткової усадкою.
Керамічні рекуператори, застосовувані в нагрівальних колодязях, виконують з восьмигранних трубок. Зазвичай монтують 6 - 8 рядів труб, з них два верхніх і нижній ряди з карбо-шамотних трубок, решта - з шамотних.
У рекуператорах насадку слід змінювати раз за 1,2 - 2 роки.
Зміна футеровки кришок здійснюється через 7 - 9 місяців. В окремих випадках, найчастіше в регенеративних колодязях, швидко згорає металева рама кришок.
2.2 Конструкція колодязів
Нагрівальні колодязі бувають з регенеративним і з рекуперативним підігрівом повітря. Регенеративні колодязі - це застарілі конструкції, які ніде вже не будуються.
Колодязі з опаленням з центру поду. Такі колодязі (малюнок 123) застосовують для нагрівання злитків перед прокаткою на блюмінгу продуктивністю близько 2,5 млн. т / рік. Вони досить надійні в експлуатації, опалюють їх змішаним коксо-доменним газом з теплотою згоряння 5800 - 8400 кДж / м ³ за допомогою пальників, розташованих у центрі поду. Група складається з двох осередків. У кожну клітинку поміщається по 12 - 16 зливків квадратного перетину.
Колодязі обладнані керамічними рекуператором з восьмигранних карбо-шамотних трубок для підігріву повітря до 800 - 850 º С. Повітря, пройшовши через рекуператори, надходить до пальника з двох сторін по збірним каналах. Газ подається в пальник по спеціальній трубі знизу вгору, тому факел теж спрямований знизу вгору. Продукти згоряння видаляються з робочого простору через спеціальні вікна і, пройшовши через рекуператор, йдуть у димову трубу. Рекуперативні колодязі з опаленням з центру пода в даний час працюють на 90 - 95% гарячого посаду, забезпечуючи при цьому продуктивність однієї групи близько 220 - 270 тис. т / рік. Питома витрата тепла на нагрівання металу становить 1100 - 1200 кДж / кг. Процес нагріву металу в цих колодязях можна автоматизувати. Імпульсну точку вибирають на одній з бічних стін в зоні найбільш високих температур, тобто трохи вище верхньої кромки злитка. Теплова потужність колодязів з опаленням з центру пода становить зазвичай 21,0 - 29,0 ГДж / год
Якість металу в рекуперативних колодязях з опаленням з центру пода недостатньо. Внаслідок вертикального розташування факела зона найбільших температур створюється у верхній частині робочого простору, що призводить до перегріву верхній частині злитка при недостатньому нагріванні його заснування. Перепад температур по висоті робочого простору досягає 100 º С і більше, що викликає нерівномірність нагріву злитка. Проте позитивним є те, що всі злитки, що входять до садіння, гріються майже однаково.
Загальна площа рекуператора нагрівальних колодязів складає близько 400 м ². У рекуператорі шість рядів труб. Два нижніх і два верхніх ряду - з карбошамотних трубок, середні ряду - з шамотних.
Рекуператори працюють при температурі димових газів на вході 1200 - 1250 º С; швидкості повітря 1,5 димових газів 0,7 - 1,0 м / с.
Повітря в рекуператор надходить зазвичай під тиском, в результаті чого між повітряним і димовий сторонами рекуператора виникає значний перепад тисків (до 200 Па), в результаті чого створюється можливість для витоку повітря в димові канали. Витік іноді досягає 40 - 50% всього повітря, поданого в рекуператор. Низька герметичність рекуператорів сильно впливає на роботу колодязів, так як в результаті витоку кількість повітря, що досяг пальники, стає недостатнім і невизначеним. При недоліки повітря паливо не згоряє повністю в межах робочого простору і тому стає можливим його допалювання в рекуператорі, що викликає руйнування рекуператора і подальше збільшення витоків.
При зменшенні кількості повітря, що потрапляє в клітинку, доводиться скорочувати кількість палива, що, тобто знижувати теплове навантаження, а це в свою чергу призводить до зниження продуктивності.
Ненадійна (в сенсі герметичності) робота рекуператорів разом з високою вартістю споруди є, мабуть, найбільшим недоліком цих нагрівальних колодязів.
Колодязі з опаленням з центру пода працюють в основному на рідкому шлаковидалення, що дозволяє збільшити продуктивність осередку і скоротити витрату палива. Однак при рідкому шлаковидалення різко зростає число ремонтів, а отже, і питома витрата вогнетривів. Колодязі при рідкому шлаковидалення працюють більше форсовано, що збільшує товщину окалини і можливість оплавлення злитків.
Колодязі з верхнім опаленням. В останні роки будують колодязі з однієї верхньої пальником, що пояснюється збільшенням продуктивності споруджуваних блюмінгів до 6 млн. т / рік і більше. Підвищенням продуктивності блюмінгів обумовлені нові вимоги, які пред'являються до нагрівальних колодязів, які в певній мірі реалізуються застосуванням колодязів з однієї верхньої пальником. Конструкція колодязів представлена на малюнку 124. Колодязь витягнутої форми шириною 2,2 - 2,5 м. У осередок поміщають у два ряди 14 злитків вагою по 7-8 т. Кожна група колодязів включає найчастіше 2 або 4 осередки. Теплове навантаження в цих криницях підтримують близько 38 - 42 ГВт; питома витрата тепла становить 1300 - 1350 кДж / кг. Оскільки на поду подібних колодязів температура відносно низька, застосовують сухе шлаковидалення.
Продуктивність колодязів подібного типу на групу з двох осередків дещо менше (200 - 220 тис. т / рік), ніж колодязів з опаленням з центру поду. Це пояснюється особливостями їх теплової роботи.
Колодязь опалюють газоподібним паливом при різного ступеня підігріву повітря. Вихідні швидкості в пальника повинні бути підібрані так, щоб кінетичної енергії струменів було достатньо для проштовхування газів від пальника до димоотборного вікна по петлеподібною траєкторії. Погане змішання палива і повітря призводить до того, що найбільша температура розвивається біля стіни, протилежної пальнику; на цій стіні і вибирають імпульсну точку для автоматизації теплового режиму. Причому, раніше за інших нагріваються злитки, що знаходяться біля цієї стіни.
Коли температура в імпульсній точці досягає заданого значення, то щоб уникнути її подальшого підвищення витрата палива знижується, і кінетична енергія струменів палива і повітря зменшується. Це призводить до того, що гази вже не досягають протилежної стінки і рухаються по прогресивно коротшає петлі.
Таким чином, процес нагрівання садки протікає нерівномірно, затягується, тому продуктивність групи, що складається з двох осередків таких колодязів, менше продуктивності колодязів з опаленням з центру поду. Однак, колодязі з однієї верхньої пальником більш компактні і при одній і тій же загальній довжині відділення нагрівальних колодязів їх можна встановити дещо більше, ніж колодязів з опаленням з центру поду.
На нагрівальних колодязях з однієї верхньої пальником застосовуються керамічні повітряні рекуператори, при використанні яких можливі два способи подачі повітря: при першому, для підведення повітря від рекуператора до пальника застосовують ексгаустер з жаротривкого матеріалу. Повітря просмоктується через рекуператор, і можливість витоку практично усувається. Проте, в цьому випадку температура підігріву повітря обмежується 400 - 450 º С, тому що при більш високій температурі існуючі ексгаустери працювати не можуть.
Другий спосіб передбачає подачу повітря з рекуператора до пальника за допомогою інжектора. Інжектується середовищем служить повітря високого тиску (20 - 40 кПа), кількість якого складає 25 - 30% загальної витрати і який підігрівається в трубчастому рекуператорі до 250 - 350 º С. У цьому випадку температура повітря перед пальником становить 650 - 700 º С. Якщо для інжектірованія застосовувати компресорний повітря (5 - 7% загальної витрати), то температура повітря перед пальником складе 700 - 800 º С.
Порівняння різних нагрівальних колодязів за експлуатаційними показниками наведено в таблиці 19.
Таблиця 19 - Показники роботи рекуперативних нагрівальних колодязів
Параметр | З центральної пальником | З однієї верхньої пальником |
Середня продуктивність однієї групи, тис. т / рік | 230 | 340 |
Число оборотів колодязів на рік | 1360 | 870 |
Питома витрата палива, кДж / кг | 1150 | 1320 |
Простої колодязів на ремонтах,% до календарного часу | 3,77 | 3,98 |
Питома витрата вогнетривів на 1 т, кг / т | 1,85 | 1,27 |
Колодязі з двома верхніми пальниками (малюнок 151) опалюють сумішшю коксового і доменного газів. Пальники розташовані у верхній частині робочого простору в шаховому порядку. Зазвичай застосовують пальники типу «труба в трубі» або найпростіші турбулентні. Пальник повинна бути розрахована так, щоб кількість кінетичної енергії струменів, створюваних пальником, було достатнім для проштовхування продуктів згоряння по петлеподібною траєкторії - від пальника та димовідвідних каналів.
Колодязі обладнані керамічними рекуператором з восьмигранних карбошамотних трубок, аналогічних тим, які застосовують на нагрівальних колодязях з опаленням з центру подини. Поперечні розміри нагрівальних колодязів з двома верхніми пальниками близькі до розмірів колодязів з опаленням з центру пода, але глибина їх більше (4,2 - 4,4 м). Відсутність пальника в центрі поду дозволяє збільшити садку металу, однак приросту продуктивності це не дає, тому що збільшення садки призводить до збільшення часу нагрівання металу.
Слід зазначити, що колодязі з двома верхніми пальниками за основними показниками - продуктивності, якості нагріву, витраті палива, теплової навантаженні - схожі з колодязями, опалювальними з центру поду. Застосування рідкого шлаковидалення на колодязях з двома верхніми пальниками дуже ускладнене тим, що найбільша температура досягається у верхній частині клітинки, внизу температура значно менше і зварювальний шлак не рідкотекучий.
Визначення кількості та планування прольоту нагрівальних колодязів. Час нагріву злитків є головним чинником, від якого залежить продуктивність нагрівальних печей. У нагрівальних колодязях при нагріванні холодних зливків застосовують триступеневий режим нагріву, що складається з періодів попереднього нагрівання, прискореного нагрівання і витримки. Протягом періоду попереднього нагрівання швидкість підвищення температури металу підтримується таким чином, щоб у ньому не виникли надмірні температурні напруги. Після досягнення 500 - 550 º С, коли метал вже набуває необхідні пластичні властивості починається період прискореного нагріву, який закінчується після того, як поверхня злитків досягне кінцевої температури нагрівання. Протягом подальшої витримки практично при постійній температурі поверхні відбувається вирівнювання температури по перетину злитка.
Необхідно відзначити, що збільшення садки металу зазвичай призводить до збільшення часу нагрівання металу, тому існує оптимальна садка, при якій забезпечується найвища продуктивність колодязів.
Потрібне число груп нагрівальних колодязів можна визначити, якщо відомі такі величини:
τ п - час посадки злитків, год;
τ н - час нагрівання злитків, год;
τ в - час витримки злитків, год;
τ ш - час збирання шлаку, год;
n - число осередків в одній групі, шт.;
G - маса садки одного осередку, т;
m - коефіцієнт, що враховує простої колодязів на ремонт. Зазвичай простої колодязів складають близько 15%, тому величину коефіцієнта m приймають рівною 0,85.
Середня продуктивність однієї групи колодязів Р, т / год, при нагріванні однакових зливків, таким чином, буде дорівнює
Якщо в нагрівальних колодязях нагрівають злитки різної маси, марок сталі і температури посаду, то їх середню продуктивність можна визначити за формулою
де a, b, c, ..., n - частка злитків даної маси, марки сталі та температури посаду у програмі нагрівальних колодязів;
P 1, Р2, Р3, ..., Р n - продуктивність групи колодязів при нагріванні злитків одного типу, підрахована за формулою.
Знаючи годинну продуктивність обжимного стану і середню годинну продуктивність групи колодязів, легко визначити необхідну кількість групи колодязів.
Планування прольотів нагрівальних колодязів. При збільшенні річної продуктивності обтискних станів, яка становить 4 - 5 млн. т / рік годинна продуктивність буде вимірюватися величиною 600 т / год, а прокатка одного злитку буде займати близько 50 с. При такому темпі прокатки всі операції по подачі злитка до стану повинні виконуватися за відрізок часу, що не перевищує 50 с. До цих операцій належать наступні: захоплення злитку краном, перенесення злитка до слітковозу і встановлення на ньому злитку, розгін і пробіг слітковоза, а також гальмування слітковоза перед прийомним рольгангом і перевантаження на нього злитка.
Найбільш поширена схема планування з подовжнім розташуванням нагрівальних колодязів (малюнок 153). Причому застосовують один або два слітковоза (малюнок 153, а). При такій схемі час пробігу слітковоза становить важливу частину загального часу, що витрачається на подачу одного зливка. Для зменшення цього часу при приблизно постійної швидкості руху слітковоза близько 7 м / с доцільно застосовувати такі нагрівальні колодязі, які забезпечують найбільшу продуктивність на 1 м довжини прольоту. Такими конструкціями є колодязі з однієї верхньої пальником.
Однак застосування такої схеми планування внаслідок тривалого шляху пробігу слітковоза не дозволяє забезпечити злитками обтискні стани продуктивністю понад 3 млн. т / рік. Для високопродуктивних станів розроблена схема подовжнього розташування відділення нагрівальних колодязів з кількома слітковозамі, що рухаються по кільцевому шляху (малюнок 153, б). Ця схема може забезпечити будь-який цикл прокатки. Оскільки шлях слітковоза кільцевої, то для подібної схеми планування продуктивність нагрівальних колодязів у розрахунку на 1 м довжини прольоту вирішального значення вже мати не буде. Вибір конструкції колодязів визначається якістю нагріву металу і економічними міркуваннями.
Регенеративні колодязі. Колодязь забезпечений двома парами регенераторів, причому найближчий до робочого простору регенератор обов'язково газовий. Газ і повітря підігрівають приблизно до 800 º С. Колодязь працює реверсивно. Спочатку паливо і повітря надходять з одного боку і, нагріваючись в регенераторах, потрапляють в робочий простір. Утворилися димові гази проходять через іншу пару регенераторів і віддають своє тепло вогнетривкої насадці. Потім відбувається перекидання клапанів, і весь цикл повторюється у зворотному напрямку. Метал нагрівається до 1200 - 1250 º С, температура в робочому обсязі колодязя становить 1350 - 1400 º С.
Загальна теплова потужність подібних колодязів складає 20,95 - 23,045 ГДж / год, причому на частку горіння палива доводиться близько 65%, на частку тепла підігріву повітря і газу - приблизно 35%. Нагрівальні колодязі подібного типу можуть працювати на чистому доменному газі і на суміші коксового і доменного газів.
В регенеративних нагрівальних колодязях у кожній групі по чотири осередки. Більшість нагрівальних колодязів працюють на зливках гарячого посаду. При цьому температура гарячого посаду зазвичай становить близько 750 º С, але іноді досягає і 850 - 870 º С. Питома частка злитків гарячого посаду по відношенню до маси всіх злитків досягає 95%.
Продуктивність групи регенеративних колодязів розглянутій конструкції при 95% гарячого посаду з температурою близько 780 º С складає 300 тис. т / рік, а питома витрата тепла 1131,3 кДж / кг.
В регенеративних колодязях горіння палива розвивається в нижній частині колодязя, тому температура близько подини досить висока, і надійно здійснюється рідке шлаковидалення.
У нагрівальних колодязях регенеративного типу вкрай недосконала система спалювання палива, що тягне за собою істотні недоліки. Горіння палива практично починається над газовими регенеративними насадками, через які подається паливо, протікає в робочому просторі і закінчується в протилежних насадках. Це призводить до нерівномірності нагрівання садки металу, так як злитки, розташовані ближче до регенератора, нагріваються значно швидше, ніж злитки в середній частині робочого простору. Другий істотний недолік викликаний тим, що для автоматизації теплового процесу печі завжди необхідно правильно вибрати в робочому просторі таку точку, по зміні температури якій можна будувати процес автоматизації. В регенеративних колодязях надійно вибрати таку точку неможливо, оскільки в результаті перекидання клапанів і поганого змішування газу і повітря температура може весь час змінюватися по всій довжині робочого об'єму колодязя, причому можливі і випадкові коливання температур.
Печі з висувним подом. Іноді для нагріву злитків застосовують печі з висувним подом (малюнок 154). Метал в подібній печі може нагріватися до 1100 - 1300 º С або догріває від 600 до 1300 º С. В якості палива застосовують мазут, генераторний чи коксодоменний газ. Піч обладнана регенераторами для підігріву повітря до 600 - 800 º С. Обсяг регенеративної насадки на 1 м ² площі пода становить 0,75 - 1,0 м ³.
Для спалювання газу застосовують пальника низького тиску, розташовані у два ряди на поздовжніх стінах печі в шаховому порядку. Маса садки коливається від 120 до 200 т. Питома витрата тепла при нагріванні металу від 0 до 1200 º С складає 4600 - 5030 кДж / кг, а при догріву від 600 до 1100 º С він дорівнює 2300 - 3000 кДж / кг.
У подібних печах значну кількість тепла витрачається на нагрівання кладки, тому пускова теплова потужність печі повинна становити 670 - 1173 ГВт на 1 м ² площі поду печі.
Виїзний Подина печі переміщається на спеціальних ковзанках, з'єднаних у дві обойми. Оскільки Подина переміщається по ковзанок швидше, ніж самі катки, довжина обойми повинна бути в 1,5 рази більше довжини подини.
Печі для нагрівання блюмів і слябів. Блюм і сляби перед подальшою прокаткою на рейкобалковий, сортових, листових і інших станах нагрівають до температури прокатки майже виключно в нагрівальних прохідних печах різного типу. Поряд з тепловим і температурним режимом визначальне значення для роботи цих печей має метод транспортування металу через піч. Толкательние протиточні печі для нагріву прямокутної заготівлі отримали широке поширення. У таких печах лежать на поду і дотичні один з одним заготовки задаються і переміщуються в печі за допомогою спеціального механізму-штовхача. Видача металу з печі може бути торцевої і бічний. При торцевої видачу функції виштовхувача виконує штовхач: задаючи чергову заготовку в піч, він переміщає всі заготовки і виштовхує найближчу до вікна видачі заготовку. При бічній видачі застосовують спеціальний виштовхувач. Перевагою штовхальних печей і те, що проштовхування - найбільш простий і дешевий метод транспортування металу через піч. Основні недоліки цього методу полягають у наступному:
при переміщенні заготівлі труться один об одного та об подину, що погіршує якість поверхні металу;
при русі заготовок утворилася окалина обсипається і створюється можливість додаткового окислення;
обсипається окалина потрапляє на під печі, реагує з матеріалом пода, в результаті чого на подині утворюються горби, що перешкоджають нормальному проштовхування металу, і виникає проблема видалення окалини;
піч не може бути без спеціальних заходів звільнена від металу у випадку зупинки стана, ремонтів або з метою проведення роботи з видалення окалини;
сучасні печі роблю дуже широкими (до і більше 12 м), що вкрай ускладнює операцію видалення окалини;
в штовхальних печах без вигорбліванія можливо проштовхування не більше 200 - 250 квадратних заготовок, що обмежує розміри і продуктивність печей.
Печі з роликовим подом представляють собою досить досконалу і перспективну конструкцію прохідних печей з механізованим подом. Вони вдало компонуються в лініях поточного виробництва, оскільки роликовий під може бути продовженням цехового рольганга. Печі з роликовим подом широко застосовуються при термічній обробці металу. Використання таких печей для високотемпературного нагріву перед прокаткою кілька стримується недостатньою стійкістю роликів і великими втратами тепла з охолоджувальною водою.
Печі з простує подом або балками також дуже перспективні. Вони вільні від недоліків, властивих штовхальних печей. У них нагрівання металу відбувається з трьох сторін. Крім того, в печах з простує подом легко змінювати режим нагріву, що є великою перевагою у разі частої зміни сортаменту нагрівається металу.
Найбільш відповідальною частиною футеровки прохідних нагрівальних печей є ділянки монолітного пода, футеровка елементів крокуючого пода, тобто всі елементи футеровки, піддаються впливу окалини при досить високій температурі (1200 - 1250 º С), при якій окалина може активно взаємодіяти з вогнетривкими матеріалами. У силу цього верхні шари таких ділянок футеровки печі зазвичай виконують з хромомагнезіта, магнезітохроміта і талькових цегли - матеріалів, які не взаємодіють з окалиною. Подину зазвичай виконують тришарової: з хромомагнезіта (або іншого окаліностойкості матеріалу); шамоту класу Б; діатомітової цегли.
Склепіння печей виконують арочними і підвісними. В якості вогнетривкого матеріалу найчастіше використовують шамот класу А і каоліновий цегла. Стіни печей викладають в низькотемпературних зонах двошаровими (шамот класу Б і діатоміт), у високотемпературних зонах тришаровими (шамот класу А або каолін, шамот класу Б, діатоміт).
Тепловий режим і опалення печей. Тепловий і температурний режими прохідних нагрівальних печей незмінні в часі. Однак температура по довжині печі може бути незмінна, але може і значно змінюватися.
Чим вище температура в печі, в яку потрапляє холодний метал, тим швидше зростає температура поверхні металу. Якщо нагрівається тіло, масивне в тепловому відношенні, то різке підвищення температури поверхні може спричинити виникнення надмірного температурного перепаду. Тому масивний метал нагрівають порівняно повільно, поступово, до тих пір, поки він не придбає необхідних пластичних властивостей, тобто до 500 º С. Цим і викликане використання методичного температурного режиму роботи печей. Для нагрівання металу, який за своїми розмірами та властивостями ближче до тонкого тіла, ніж до масивного (наприклад, сляби), створені печі, що працюють за режимом, що займає проміжне положення між камерним і методичним. Щоб забезпечити загальний підйом температурного рівня, в печі виконують дві зварювальні зони, в кожній з яких відбувається спалювання палива. При нагріванні металу тонкого у тепловому відношенні використовують камерний режим, при якому підтримується практично однакова температура по всьому робочому простору. Забезпечення того чи іншого температурного режиму роботи печей досягається вибором методу опалення і відповідного розташування пальникових пристроїв і димовідвідних каналів.
Для забезпечення камерного режиму необхідно пальника (форсунки) і димоотборние канали рівномірно розподілити по довжині робочого простору.
Існує торцеве і сводовое опалення печей. При торцевому опаленні характер зміни температури по довжині печі визначає число і призначення її зон. Метал поступає в зону найбільш низьких температур і, просуваючись на зустріч димових газах, температура яких все підвищується, поступово нагрівається. Методичні печі по числу зон нагріву металу можуть бути дво-, трьох-і багатозонними з одностороннім і двостороннім нагріванням металу. Розглянемо призначення зон на прикладі тризонного печі.
Методична зона - перша (по ходу металу), зі змінною по довжині температурою. У цій зоні метал поступово підігрівається до надходження в зону високих температур (зварювальну). Щоб уникнути виникнення надмірних термічних напружень часто необхідний повільне нагрівання металу в інтервалі температур від 0 до 500 º С. Разом з тим методична зона являє собою протиточний теплообмінник. Перебувають у стані теплообміну димові гази і метал рухаються назустріч один одному.
Метал нагрівається димовими газами, тобто утилізує тепло димових газів, що відходять із зони високих температур. Загальне падіння температури димових газів в методичній зоні вельми значно. Зазвичай в зоні високих температур методичних печей температура газів тримається на рівні 1300 - 1400 º С, наприкінці ж методичної зони вона знаходиться в межах 850 - 1100 º С. Методична зона значно збільшує коефіцієнт використання тепла, що досягає 40 - 45%, тоді як в камерних печах він становить 18 - 20%.
Зона високих температур або зварювальний - друга по ходу металу. У цій зоні здійснюється швидкий нагрів поверхні заготовки до кінцевої температури. Температура нагріву металу в методичних печах зазвичай становить 1150 - 1250 º С. Для інтенсивного нагріву поверхні металу до цих температур в зварювальній зоні необхідно забезпечувати температуру на 150 - 250 º С вище, тобто температура газів в зварювальній зоні повинна бути 1300 - 1400 º С.
Томильную зона (зона витримки) - третя по ходу металу. Вона служить для вирівнювання температур по перерізу металу. У зварювальній зоні до високих температур нагрівається тільки поверхня металу. У результаті створюється великий перепад температур по перерізу металу, неприпустимий за технологічними вимогами. Температуру в томильной зоні підтримують усього на 30 - 50 º С вище необхідної температури нагріву металу.
Подібний триступеневий режим нагріву необхідний у тих випадках, коли нагрівають заготівлі, у яких може виникнути значний перепад температур по товщині (понад 200 º С на 1 м товщини металу). Такі печі (з трьома зонами) називають тризонного методичними печами.
3 Визначення розмірів печей
Розміри робочого простору визначають, виходячи з продуктивності, розміру та часу нагрівання заготовки. Якщо Р - задана продуктивність печі, а τ - час нагрівання (ч), то для забезпечення цієї продуктивності в печі в процесі нагріву повинна постійно перебувати садка металу, дорівнює G = Pτ.
Знаючи розміри нагрівається заготовки (a - ширина, м; b - товщина, м; l - довжина, м), можна визначити масу g однієї заготовки і число заготовок, що постійно знаходяться в печі n = G / g.
Зазвичай при n <200 шт. роблять однорядну піч, довжина якої буде дорівнює L = a · n, м.
Для дворядної печі L = a · n / 2.
Якщо n / 2> 200, то піч виконують трьохрядної і т.д.
Ширину печі визначають підсумовуванням довжини заготовки та необхідних зазорів між заготівлею та стінами печі або між двома заготовками. Ці зазори зазвичай рівні приблизно 0,25 м, тому ширина однорядною печі буде дорівнює B = l + 2.0 .25 м; дворядної B = 2 l + 3.0, 25 м і т.д.
Довжину печі з простує подом слід визначати з урахуванням зазорів між заготовками. Зазвичай відстань між гранями сусідніх заготовок становить 0,5 - 0,7 їх товщини.
Тому довжина печі в цьому випадку складе
L = an + (0,5 - 0,7) b (n + 1).
Висоту зводу печей h найчастіше визначають, виходячи з досвіду добре працюючих печей. Так, для тризонного і багатозонних штовхальних печей і з простує подом відстань від вищої точки склепіння до рівня пода становить, м:
Початок печі (місце посада металу) ... ... ... ... ... ... .. 1,2 - 1,5
Висота зварювальних зон:
Верхніх .... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .2,2 - 2,6
Нижніх .... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .. 2,4 - 3,0
Висота томильной зони ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 1,5 - 1,7
Часто при достатньому конструктивному досвіді та наявності інформації про добре працюють печах розмір площі поду печей визначають не через час нагрівання, а використовуючи величину напруженості активного пода На.
У цьому випадку
F а = Р / На,
а довжина печі La = Fa / B, де В - ширина печі.
4 Печі для термічної обробки сортового прокату.
4.1 Режими термічної обробки.
Найбільш поширеним видом термічної обробки сортового прокату є відпал з метою проведення повної фазової перекристалізації, яка забезпечить отримання необхідної твердості й оптимальної структури, що створюють найкращі умови для обробки сталі різанням. Відпал стали, як відомо, складається з трьох етапів: нагрівання до заданої температури, витримки при температурі нагріву, охолодження з того чи іншого режиму.
Температура нагріву залежить від складу сталі і її вибираю так, щоб вона на 20 - 40 º С перевищувала положення верхньої критичної точки АС3. Для сталей найбільш поширених типів застосовують наступну температуру нагрівання º С:
Шарікоподшипниковая ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... 780 - 820
Інструментальна вуглецева ... ... ... ... ... ... ... .745 - 820
Інструментальна легована ... ... ... ... ... ... ... .730 - 880
Швидкорізальна ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... ... .... 880 - 900
Швидкість досягнення кінцевої температури нагрівання не обмежується, але зазвичай вона становить 100 º С / ч. Час витримки вибирають так, щоб встигли завершитися всі ті перетворення, які є метою термічної обробки. Строго кажучи, витримку слід проводити після вирівнювання температури по товщині садки металу. У садочние печах вирівнювання температури садки настає після 10 - 12 год з моменту початку нагріву. Після цього проводять витримку протягом 2 - 3 год.
Швидкість охолодження металу при проведенні відпалу лімітується тільки до 550 - 600 º С, щоб всі перетворення аустеніту були закінчені в перлітною області. Це охолодження зазвичай здійснюється зі швидкістю 20 - 30 º С / ч. Таким чином весь цикл відпалу сортового прокату займає 18 - 24 год
У деяких випадках сортовий прокат піддають нормалізації з нагріванням до температури на 30 - 50 º С вище точки АС3 з наступним охолодженням на спокійному повітрі.
4.2 Конструкція печей
Для відпалу найчастіше застосовують садочние печі з викатним подом і з завантажувальної машиною (з зовнішньої механізацією). Крім того, іноді використовують колпаковие печі з радіаційними трубами або без них із захисною атмосферою. Для нормалізації застосовують прохідні печі з простує подом, конвеєрні та роликові.
Садочние печі. Деякий час були поширені печі з висувним подом. У цю піч метал завантажують за допомогою рухомої візки і нагрівають разом з піччю. Маса садки печей з висувним подом змінюється в дуже широких межах і становить близько 2 т / м ² площі поду. Піч зазвичай опалюють газоподібним паливом, для цього передбачено два ряди пальників, розташованих у шаховому порядку. Димові гази віддаляються в борів через шість відвідних каналів, розташованих попарно в середині і по кінцях печі. Специфічним недоліком печей з викатним подом є те, що при викочуванні подини втрачається тепло.
З метою усунення цього недоліку для відпалу сортового прокату застосовують печі з механізованим завантаженням металу (рисунок 29-1). Піч обладнана подподовимі топками, частіше за все її опалюють сумішшю коксового і доменного газів з теплотою згоряння 7500 - 8300 кДж / м ³ за допомогою пальників типу «труба в трубі».
Характер руху газів у робочому просторі визначається наявністю подподових топок. Для видалення димових газів з робочого простору печі в стінках виконані спеціальні канали, розташовані на рівні поду печі, що забезпечує задовільний нагрів низу садки. Маса садки печей становить 15 - 20 т. Метал завантажують у піч за допомогою спеціальної машини.
Відпалу в розглянутих печах зазвичай піддають круглі заготовки діаметром 30 - 60 мм або квадратні перетином 120 - 180 мм. Між окремими пакетами металу поміщають спеціальні прокладки, що сприяє циркуляції газів усередині садки і підвищує рівномірність нагріву. У печах з механізованим завантаженням застосовують ізотермічний відпал з нагріванням до 780 º С і охолодженням до 650 º С з витримкою при цій температурі.
У садочние печах, як в печах періодичної дії, значна кількість тепла витрачається на нагрівання кладки. Для таких печей характерно, що на нагрів металу витрачається 17 - 18% тепла, винесення з продуктами згоряння складає 54 - 56% і втрати кладкою зазвичай рівні 18 - 19%. Інакше кажучи, тепло, що втрачається кладкою, рівновеликої корисного витраті тепла.
Футеровку термічних печей виконують звичайно двошарової: внутрішній шар з шамоту класу Б, зовнішній - з теплоізоляційного діатомового цегли.
Оскільки садочние печі мають змінний в часі температурний режим, тепловий розрахунок таких печей виконую на весь цикл роботи, а не на 1 год, як це роблять для печей постійної дії.
Садочние печей притаманні такі серйозні недоліки:
непостійний в часі температурний режим, негативно позначається на рівномірності нагрівання металу;
висока питома витрата палива, викликаний періодичним нагріванням кладки печі;
складність автоматичного регулювання теплового режиму печі;
непридатність для високопродуктивної поточно-масового виробництва.
Однак ці печі поки є найбільш прийнятними агрегатами для виконання таких операцій термообробки, які пов'язані зі значними витримками і уповільненим охолодженням. Садочние печі також найбільш придатні для термохімічної обробки металу.
Прохідні печі. Застосування прохідних печей дозволяє забезпечити більш досконалий метод нагрівання металу. Для термічної обробки сортового прокату застосовують безперервні печі прямого нагрівання трьох конструкцій: з простує подом, з роликовим подом і конвеєрні.
У печах з простує подом, що застосовуються для термічної обробки, температура по довжині печі найчастіше постійна. У печах для нормалізації іноді передбачають по довжині дві зони: нагрівання до 900 º С і охолодження до 300 - 400 º С. Зазвичай температура печі складає близько 1000 - 1050 º С. Метал нагрівається до 900 - 950 º С. Печі опалюють холодним газоподібним паливом. Пальники розташовані рівномірно по всій довжині, димові гази видаляються з печі під парасольку через робочі вікна і спеціальні, виконані в зводу, канали. Печі з простує подом, призначені для термообробки, забезпечую питому продуктивність близько 400 - 450 кг / (м ² · год) при питомій витраті тепла близько 2100 кДж / кг.
Найбільш широке розповсюдження для термічної обробки набувають печі з роликовим подом.
У конвеєрних печах робочий простір проходить ланцюговий конвеєр, що транспортує метал. Конвеєрним печей притаманні серйозні недоліки, на підставі яких у чорній металургії ці печі застосовують вкрай рідко. Головними недоліками є:
значний винос тепла з робочого простору печі елементами ланцюгів, в результаті чого збільшується питома витрата тепла;
недостатній прогрів металу в місцях зіткнення з ланцюгом;
недовговічність ланцюгів;
Питома витрата тепла в таких печах досягає 2900 - 3350 кДж / кг.
Список використаних джерел
Теорія, конструкції та розрахунки металургійних печей. Том 1. - Під редакцією В.А. Крівандіна. - М.: Металургія, 1986.
Металургійні печі. - В.А. Крівандін, Б.Л. Марков. - М.: Металургія, 1977.
Металургійна теплотехніка. Том 2. Конструкція і робота печей. - Під редакцією В.А. Крівандіна. - М.: Металургія, 1986.