Секційні печі
Секційні печі застосовують для швидкісного малоокіслітельного нагріву відносно тонких, як правило, круглих заготовок перед прокаткою (наприклад, на шаропрокатних станах) і труб під термообробку.
Піч складається з ряду однакових секцій (24 -56 шт.), Опалювальних двома або чотирма пальниками, розташованими так, що продукти згоряння з усіх боків омивають нагріваються вироби, що проходять уздовж печі через центри секцій. Метал нагрівається з усіх боків за рахунок випромінювання стінок і газів, а також за рахунок конвекції. Між секціями передбачені неопалювані тамбури, в яких розташовані водоохолоджувальні ролики пічного рольганга, що здійснює транспортування заготовок через піч в 1 - 3 ряди.
Висока швидкість нагріву забезпечується підвищеною температурою в робочому просторі (1400 - 1500 ° С). По довжині печі температура в секціях може бути однаковою, але зазвичай у перших секціях вона трохи нижче через вплив холодного металу, а в останніх також підтримується більш низькою для забезпечення вирівнювання температури по перетину заготовок.
Завдання управління процесом нагрівання в секційних печах, так само як у методичних, полягає у виборі і підтримці температурного режиму в умовах змінної продуктивності; цей режим повинен забезпечувати задану якість нагріву заготовок. Основними керуючими впливами є: температура в секціях або зонах печі, обумовлена витратою палива і продуктивністю печі, витрата повітря на зони, швидкість переміщення металу.
Принципова схема автоматичного контролю і регулювання теплового режиму секційної печі показана на рис. 8.11.
Температура кожної секції вимірюється радіаційним пірометром, візованих на дно карборундовому склянки на зводі або стінці печі. Іноді температура в перших і останніх секціях (якщо вона нижче 1250 ° С) вимірюється термопарами. Найбільш доцільно регулювати температуру в кожній секції, але при цьому потрібно дуже велика кількість датчиків, вторинних приладів, регуляторів. З метою економії регулюючої апаратури може бути застосований багатоканальний регулятор (один на зону або па всю піч), послідовно підключається до секцій і забезпечує імпульсне регулювання температури в кожній секції. Зазвичай регулювання здійснюється ПІ-регулятором по температурі в одній із секцій, шляхом зміни витрати палива на всю зону регулювання температури. При такому регулюванні температура в секціях зони виходить неоднаковою, як за рахунок можливого нерівномірного витрат палива, так і за рахунок різного витрати тепла на нагрівання металу. У перших секціях по ходу металу температура виходить нижче. Різниця в температурі збільшується із зростанням числа секцій і теплової потужності. Вона, однак, не повинна перевищувати 30 - 40 ° С. В іншому випадку в деяких секціях відбудеться розплавлення окалини на поверхні металу.
Рис. 8.11. Принципова схема управління тепловим режимом секційної печі: 1 - вимірювання температури в секціях; 2 - регулювання температури в зоні (у середній секції), 3 - регулювання співвідношення паливо - повітря на зону; 4 - регулювання тиску в зоні; 5 - вимірювання температури металу; 6 - регулятор, коригуючий завдання зональним регуляторам по температурі металу
Експерименти на промислових печах дозволили зробити наступні зразкові рекомендації по числу секцій в одній зоні регулювання: до восьми секцій при можливій зміні теплової потужності в два рази; чотири секції за зміни теплової потужності в три рази; дві секції при більших можливих змінах теплової потужності печі.
У деяких схемах управління тепловим режимом секційних печей застосовують автоматичне зміна завдань зональним регуляторам в залежності від температури заготовки на виході з печі. Ця температура може вимірюватися фотоелектричним пірометром, так як шар окалини на нагреваемом металі невеликий. Іноді температуру металу вимірюють у декількох точках по ходу нагріву. Пірометри візують через отвори в стінках неопалюваних тамбурів, і тому вплив факела і газів на показання приладів мінімально.
Коригування завдання зональним регуляторам аналогічно методичної печі. У секційних печах можна також коректувати швидкість переміщення металу по рольганги, залишаючи завдання регуляторам температури незмінними в тих випадках, коли продуктивність печі не лімітується зовнішніми причинами, наприклад продуктивністю стану.
При зупинках рольганга через великий різниці температур печі і металу можливий його перегрів, і навіть розплавлення. Для запобігання цьому передбачають пристрій скидання теплового навантаження за допомогою реле часу. Вхідні контакти цього реле замикаються при кожному повороті ролика рольганга, а якщо замикання не відбулося, то після деякої витримки реле дає команду на зменшення подачі палива.
У термічних секційних печах часто виникають перерви у завантаженні виробів, які надходять партіями. Після перерви надходження холодного металу різко охолоджує перші секції. Регулятори температури, налаштовані на роботу в умовах змінної продуктивності, відновлюють задану температуру тільки через 8 - 10 хв. Перші заготівки не нагріваються до необхідної температури і бракуються. Щоб уникнути такої ситуації застосовують пусковий пристрій, який включається за сигналом від фотореле або дистанційно кнопками. Програмне пристрій дає команду на збільшення теплової потужності I зони в обхід регулятора температури. До моменту, коли перша заготівля досягне II зони, дається така ж команда на збільшення теплової потужності II зони. Після закінчення перехідного періоду програмний пристрій відключається, і працюють зональні регулятори.
Секційні печі характеризуються порівняно невеликий інерційністю та акумулюючої здатністю кладки, і тому для таких печей можна використовувати балансові схеми управління тепловим режимом. Цей спосіб цікавий з теплотехнічної точки зору і доцільний, коли можна досить точно визначати статті теплового балансу.
втрати тепла з охолоджувальною водою:
Q в = G в (q 2 - q 1);
корисне тепло нагріву металу
Q м = G п (i 2 - i 1);
постійні втрати
Q п = const.
У цих рівняннях:
V г - витрата газу;
V в - витрата повітря;
k 1, k 2 - коефіцієнти, що враховують співвідношення між кількістю
продуктів згоряння та витратами газу та повітря;
з ух, q ух - теплоємність і температура продуктів згоряння;
G в - витрата води на охолодження роликів рольганга;
q 1, q 2 - початкова і кінцева температури охолоджуючої
води;
G п - продуктивність печі;
i 1, i 2 - початкова і кінцева ентальпії металу.
На підставі вимірів необхідних параметрів схемою автоматично обчислюються складові частини теплового балансу і визначаються величини:
і
При будь-якому режимі роботи необхідно дотримання рівності
Горіння регулюють установкою спарених заслінок на газо-і повітропроводах, керованих регулятором температури. Обидві заслінки повинні мати подібні витратні характеристики. Гарне регулювання виходить в печах з малими змінами теплової потужності. При значних змінах витрати палива доцільно застосовувати звичайні схеми регулювання співвідношення паливо - повітря на кожну зону.
Тиск у секційній печі регулюється по зонах за допомогою шиберів або поворотних заслінок на шляху продуктів згоряння із зони в загальний димовідвідний канал. Відбір тиску в першій і останній зонах здійснюють у зведенні тамбурів, відповідно, між двома першими і двома останніми секціями печі.
Металеві рекуператори для підігріву повітря працюють на секційних печах в дуже важких умовах внаслідок високої температури продуктів згоряння і можливих теплових ударів. Тому передбачають автоматичний захист рекуператорів від перегріву (рис. 8.12) додаванням в дим холодного повітря. Одна зі схем може виконувати управління поворотними шиберами після рекуператорів. Якщо температура першої секції рекуператора, вимірювана хромель-алюмелеві термопарою, перевищує припустиме значення, то закривається поворотна заслінка і відбувається перерозподіл продуктів згоряння, які через тамбури перетікають в сусідні секції.
У деяких випадках передбачають охолодження продуктів згорання перед рекуператором за рахунок подачі холодного повітря або води. Регулятор впливає на регулюючий орган, що змінює витрата охолоджувача. Зазвичай використовують релейний регулятор з постійною швидкістю виконавчого механізму. Таким же чином виконують захист від перегріву димососа.
Для управління секційними печами можна застосовувати ЕОМ, хоча до цього часу цього не робиться. Перед системою оптимального керування нагрівом металу можуть бути поставлені завдання, аналогічні розглянутим вище для методичних печей.
Секційні печі застосовують для швидкісного малоокіслітельного нагріву відносно тонких, як правило, круглих заготовок перед прокаткою (наприклад, на шаропрокатних станах) і труб під термообробку.
Піч складається з ряду однакових секцій (24 -56 шт.), Опалювальних двома або чотирма пальниками, розташованими так, що продукти згоряння з усіх боків омивають нагріваються вироби, що проходять уздовж печі через центри секцій. Метал нагрівається з усіх боків за рахунок випромінювання стінок і газів, а також за рахунок конвекції. Між секціями передбачені неопалювані тамбури, в яких розташовані водоохолоджувальні ролики пічного рольганга, що здійснює транспортування заготовок через піч в 1 - 3 ряди.
Висока швидкість нагріву забезпечується підвищеною температурою в робочому просторі (1400 - 1500 ° С). По довжині печі температура в секціях може бути однаковою, але зазвичай у перших секціях вона трохи нижче через вплив холодного металу, а в останніх також підтримується більш низькою для забезпечення вирівнювання температури по перетину заготовок.
Завдання управління процесом нагрівання в секційних печах, так само як у методичних, полягає у виборі і підтримці температурного режиму в умовах змінної продуктивності; цей режим повинен забезпечувати задану якість нагріву заготовок. Основними керуючими впливами є: температура в секціях або зонах печі, обумовлена витратою палива і продуктивністю печі, витрата повітря на зони, швидкість переміщення металу.
Принципова схема автоматичного контролю і регулювання теплового режиму секційної печі показана на рис. 8.11.
Температура кожної секції вимірюється радіаційним пірометром, візованих на дно карборундовому склянки на зводі або стінці печі. Іноді температура в перших і останніх секціях (якщо вона нижче 1250 ° С) вимірюється термопарами. Найбільш доцільно регулювати температуру в кожній секції, але при цьому потрібно дуже велика кількість датчиків, вторинних приладів, регуляторів. З метою економії регулюючої апаратури може бути застосований багатоканальний регулятор (один на зону або па всю піч), послідовно підключається до секцій і забезпечує імпульсне регулювання температури в кожній секції. Зазвичай регулювання здійснюється ПІ-регулятором по температурі в одній із секцій, шляхом зміни витрати палива на всю зону регулювання температури. При такому регулюванні температура в секціях зони виходить неоднаковою, як за рахунок можливого нерівномірного витрат палива, так і за рахунок різного витрати тепла на нагрівання металу. У перших секціях по ходу металу температура виходить нижче. Різниця в температурі збільшується із зростанням числа секцій і теплової потужності. Вона, однак, не повинна перевищувати 30 - 40 ° С. В іншому випадку в деяких секціях відбудеться розплавлення окалини на поверхні металу.
Рис. 8.11. Принципова схема управління тепловим режимом секційної печі: 1 - вимірювання температури в секціях; 2 - регулювання температури в зоні (у середній секції), 3 - регулювання співвідношення паливо - повітря на зону; 4 - регулювання тиску в зоні; 5 - вимірювання температури металу; 6 - регулятор, коригуючий завдання зональним регуляторам по температурі металу
Експерименти на промислових печах дозволили зробити наступні зразкові рекомендації по числу секцій в одній зоні регулювання: до восьми секцій при можливій зміні теплової потужності в два рази; чотири секції за зміни теплової потужності в три рази; дві секції при більших можливих змінах теплової потужності печі.
У деяких схемах управління тепловим режимом секційних печей застосовують автоматичне зміна завдань зональним регуляторам в залежності від температури заготовки на виході з печі. Ця температура може вимірюватися фотоелектричним пірометром, так як шар окалини на нагреваемом металі невеликий. Іноді температуру металу вимірюють у декількох точках по ходу нагріву. Пірометри візують через отвори в стінках неопалюваних тамбурів, і тому вплив факела і газів на показання приладів мінімально.
Коригування завдання зональним регуляторам аналогічно методичної печі. У секційних печах можна також коректувати швидкість переміщення металу по рольганги, залишаючи завдання регуляторам температури незмінними в тих випадках, коли продуктивність печі не лімітується зовнішніми причинами, наприклад продуктивністю стану.
При зупинках рольганга через великий різниці температур печі і металу можливий його перегрів, і навіть розплавлення. Для запобігання цьому передбачають пристрій скидання теплового навантаження за допомогою реле часу. Вхідні контакти цього реле замикаються при кожному повороті ролика рольганга, а якщо замикання не відбулося, то після деякої витримки реле дає команду на зменшення подачі палива.
У термічних секційних печах часто виникають перерви у завантаженні виробів, які надходять партіями. Після перерви надходження холодного металу різко охолоджує перші секції. Регулятори температури, налаштовані на роботу в умовах змінної продуктивності, відновлюють задану температуру тільки через 8 - 10 хв. Перші заготівки не нагріваються до необхідної температури і бракуються. Щоб уникнути такої ситуації застосовують пусковий пристрій, який включається за сигналом від фотореле або дистанційно кнопками. Програмне пристрій дає команду на збільшення теплової потужності I зони в обхід регулятора температури. До моменту, коли перша заготівля досягне II зони, дається така ж команда на збільшення теплової потужності II зони. Після закінчення перехідного періоду програмний пристрій відключається, і працюють зональні регулятори.
Секційні печі характеризуються порівняно невеликий інерційністю та акумулюючої здатністю кладки, і тому для таких печей можна використовувати балансові схеми управління тепловим режимом. Цей спосіб цікавий з теплотехнічної точки зору і доцільний, коли можна досить точно визначати статті теплового балансу.
Прихід тепла. Хімічне тепло палива:
Q хім = V гВитрата тепла. Тепло продуктів згоряння, що йдуть з печі:
Q ух = (k 1 V г + k 2 V в) з двох q ух;втрати тепла з охолоджувальною водою:
Q в = G в (q 2 - q 1);
корисне тепло нагріву металу
Q м = G п (i 2 - i 1);
постійні втрати
Q п = const.
У цих рівняннях:
V г - витрата газу;
V в - витрата повітря;
k 1, k 2 - коефіцієнти, що враховують співвідношення між кількістю
продуктів згоряння та витратами газу та повітря;
з ух, q ух - теплоємність і температура продуктів згоряння;
G в - витрата води на охолодження роликів рольганга;
q 1, q 2 - початкова і кінцева температури охолоджуючої
води;
G п - продуктивність печі;
i 1, i 2 - початкова і кінцева ентальпії металу.
На підставі вимірів необхідних параметрів схемою автоматично обчислюються складові частини теплового балансу і визначаються величини:
і
При будь-якому режимі роботи необхідно дотримання рівності
Горіння регулюють установкою спарених заслінок на газо-і повітропроводах, керованих регулятором температури. Обидві заслінки повинні мати подібні витратні характеристики. Гарне регулювання виходить в печах з малими змінами теплової потужності. При значних змінах витрати палива доцільно застосовувати звичайні схеми регулювання співвідношення паливо - повітря на кожну зону.
Тиск у секційній печі регулюється по зонах за допомогою шиберів або поворотних заслінок на шляху продуктів згоряння із зони в загальний димовідвідний канал. Відбір тиску в першій і останній зонах здійснюють у зведенні тамбурів, відповідно, між двома першими і двома останніми секціями печі.
Металеві рекуператори для підігріву повітря працюють на секційних печах в дуже важких умовах внаслідок високої температури продуктів згоряння і можливих теплових ударів. Тому передбачають автоматичний захист рекуператорів від перегріву (рис. 8.12) додаванням в дим холодного повітря. Одна зі схем може виконувати управління поворотними шиберами після рекуператорів. Якщо температура першої секції рекуператора, вимірювана хромель-алюмелеві термопарою, перевищує припустиме значення, то закривається поворотна заслінка і відбувається перерозподіл продуктів згоряння, які через тамбури перетікають в сусідні секції.
У деяких випадках передбачають охолодження продуктів згорання перед рекуператором за рахунок подачі холодного повітря або води. Регулятор впливає на регулюючий орган, що змінює витрата охолоджувача. Зазвичай використовують релейний регулятор з постійною швидкістю виконавчого механізму. Таким же чином виконують захист від перегріву димососа.
Рис. 8.12. Принципова схема автоматичного захисту металевого рекуператора:
1 - регулювання першої секції рекуператора, 2 - вимірювання температури гарячого повітря або газу, 3 - вимірювання температури продуктів згоряння перед рекуператором і після нього; 4 - регулювання температури продуктів згоряння перед димососомДля управління секційними печами можна застосовувати ЕОМ, хоча до цього часу цього не робиться. Перед системою оптимального керування нагрівом металу можуть бути поставлені завдання, аналогічні розглянутим вище для методичних печей.