Методическая нагревательная печь схема

Обновлено: 28.04.2024

Автоматизация методической печи

Пояснительная записка объемом 57 страниц, 1 приложение, 3 иллюстрации, 2 таблицы.

В первой части пояснительной записки рассматриваются вопросы автоматизации методических печей. Описывается состояние автоматизации методических печей на данный момент времени. Создание АСУТП невозможно без тщательного изучения технологического процесса, поэтому вначале пояснительной записки рассматриваются технологические процессы работы методической печи.

На основании рассмотрения автоматизируемых параметров, рассматриваются задачи автоматизации и проектируется система АСУТП. В процессе проектирования разрабатывается структурная схема автоматизации, выбираются технические средства для контроля и регулирования параметров методической печи, разрабатывается функциональная схема автоматизации и принципиально-электрические схемы подключения приборов одного контура контроля и регулирования.

Во второй части пояснительной записки рассмотрена математическая модель процесса нагрева различных марок стали, реализуемая на ЭВМ, которая может быть использована в качестве информационной части в АСУ методических печей для оптимизации технологического процесса.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

2. Конструкция агрегата и технологический процесс

3. методическая печь как объект автоматизации

4. общие задачи автоматизации

5. постановка задач автоматизации

6. разработка и описание структурной схемы автоматизации

7. РАЗРАБОТКА И ОПИСАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ АВТОМАТИЗАЦИИ

8. РАЗРАБОТКА И ОПИСАНИЕ ПРИНЦИПИАЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СХЕМЫ КОНТУРА КОНТРОЛЯ И РЕГУЛИРОВАНИЯ

9. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ НАГРЕВА МЕТАЛЛА В МЕТОДИЧЕСКОЙ ПЕЧИ

10. Инструкция по пользованию программой

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

Нагрев металла является важнейшей технологической операцией, в значительной мере определяющей экономические показатели производственного процесса в целом. Технология прокатки предъявляет жесткие требования к качеству нагрева. Распределение температур по сечению заготовки, обеспечивающее необходимую пластичность металла, должно быть достигнуто за определенное время без чрезмерного перегрева поверхности металла. Нагревательные устройства должны обеспечить кондиционный нагрев металла в условиях переменного ритма работы стана и при минимальном расходовании топлива. Качество нагрева определяется избранным графиком нагрева металла, т. е. скоростью и продолжительностью нагрева в каждой из зон печи. Каждому графику нагрева соответствуют конечная температура поверхности металла, неравномерность температур по сечению заготовки и величина угара металла. В современных методических печах кривая, характеризующая распределение температур по длине печи, круто поднимается на участке, соответствующем загрузочному концу печи, и становится пологой на участке, соответствующем высокотемпературной зоне ее.

Соблюдение такого графика обеспечивается высокой температурой отходящих газов. Применение его особенно целесообразно при нагреве толстых заготовок, так как теплопроводность металла уменьшается с повышением его температуры. С повышением температуры в сварочной зоне трехзонных печей необходимое время выдержки в томильной зоне часто удлиняется в большей степени, чем сокращается время нагрева в методической и сварочной зонах. Поэтому оптимальное значение температуры сварочной зоны, соответствующее нагреву металла до заданных кондиций, соответствует в первую очередь, заданной неравномерности температур по сечению заготовки.

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

В прокатных цехах заканчивается цикл металлургического производства. Процесс получения готового прокатного изделия обычно разбивается на несколько этапов: вначале слиток прокатывают на крупных обжимных и заготовительных станах до заготовки, которую затем для получения готового профиля передают на сортовые, листопрокатные или специальные (колесопрокатные, трубопрокатные и др.) станы.

Качество продукции и производительность прокатных станов во многом определяются работой нагревательных печей, причем в большинстве случаев ошибки, возникающие при нагреве металла, уже не могут быть исправлены. Проявляясь на последующих переделах, эти ошибки приводят к снижению выхода годной продукции.

Нагревательные печи прокатного производства предназначены для нагрева слитков перед прокаткой на обжимных станах и заготовок (слябов и блюмов) – перед листовыми и сортовыми станами.

Являясь начальным звеном технологической линии прокатного производства, нагревательные печи в своей работе тесно связаны с ритмом работы прокатного оборудования, и наряду с этим сохраняют особенности, присущие всем теплотехническим агрегатам. Основное время печи работают в переходных режимах, вызванных изменением сортамента, марки нагреваемых заготовок и темпа их выдачи. В прокатном производстве для нагрева металла перед прокаткой используются в основном три вида нагревательных печей: нагревательные колодцы, методические и секционные.

Современные нагревательные печи представляют собой высокомеханизированные агрегаты, удовлетворяющие технологическим и экологическим требованиям, однако жизнь выдвигает новые задачи развития печной техники.

Требования к работе нагревательных печей включают в себя:

- обеспечение заданной производительности;

- обеспечение качества нагрева, удовлетворяющего технологов по структуре и по механическим свойствам металла, по степени окалинообразования и обезуглероживания;

- эффективное использование топлива, характеристикой которого служит удельный расход энергии на единицу продукции в кг условного топлива на 1 тонну продукции;

- соответствие экологическим нормам по предельно допустимому выбросу в атмосферу пыли и вредных газов: СО, СО2, NOx, SO2, C20H12 и других углеводородов;

- механизация труда при эксплуатации и ремонте печи и автоматизация её теплового режима.

Интегральным экономическим показателем технологии нагрева и конструкции печи является себестоимость нагрева и срок окупаемости капиталовложений в строительство или реконструкцию печи при гарантированном качестве продукции и соответствии экологическим нормам.

В настоящее время производительность печи является варьируемым фактором. Одну и ту же производительность можно обеспечить при работе одной или нескольких печей. Существует понятие оптимальной производительности печи, соответствующей минимуму расхода энергии на нагрев металла, либо минимуму себестоимости нагрева.

На передний план выдвигается требование эффективного использования топлива и других ресурсов, т.е. проблема энерго- и ресурсосбережения. В связи с этим меняется актуальность научных проблем. Например, утратила своё значение задача интенсификации теплообмена в печах, как средство повышения скорости нагрева, а, значит, и производительности нагревательных печей. Скоростной нагрев и высокая производительность сегодня не являются самоцелью, поскольку промышленной практике нужны не рекорды, а экономическая целесообразность.

Из анализа теплового баланса печи, записанного в форме, предложенной И.Д.Семикиным, следует вывод о том, что возможны три направления энергосбережения:

- уменьшение потерь теплоты из рабочего пространства печи через футеровку и окна в окружающую среду, а также на разогрев футеровки до рабочей температуры;

- повышение коэффициента использования теплоты топлива (КИТ), т.е. доли теплоты сгорания топлива, которую удается использовать в пределах рабочего пространства печи. Расход топлива на печь обратно пропорционален величине КИТ.

Рассмотрим конкретные способы реализации каждого из трёх направлений энергосбережения в современных печах металлургии и машиностроения.

Необходимо как можно меньше охлаждать заготовки, полученные на МНЛЗ, перед посадом в нагревательные печи для последующей прокатки. Примером осуществления такой энергосберегающей технологии являются литейно-прокатные модули.

В ряде случаев удаётся вообще исключить промежуточный нагрев металла между двумя последовательными прокатными станами, т.е. довести тепловой дефицит до нуля благодаря уменьшению потерь теплоты раскатами при транспортировке от одного стана к другому. На комбинатах "Запорожсталь" и им. Ильича внедрена технология "транзитной" прокатки слябов на непрерывных листовых станах, при которой 95% слябов прокатываются без промежуточного нагрева в методических печах. В данном случае удельный расход условного топлива в методических печах сокращен с 85 до 15 кг/т.

2 способ. Потери теплоты из рабочего пространства имеют место в любых печах, но они особенно существенны в нагревательных и термических печах циклического действия, когда в цикл термообработки входит охлаждение печи до низкой температуры или когда такое охлаждение обусловлено длительными промежутками между циклами нагрева садки. Футеровка таких печей, выполненная из шамотного кирпича, поглощает примерно в 3 раза больше теплоты, чем садка металла. Уменьшение количества теплоты на разогрев футеровки достигается путем замены шамотных огнеупоров муллитокремнеземистыми волокнистыми плитами, производство которых налажено на Украине и в России.

В проходных печах с шагающими балками благодаря применению волокнистых материалов для тепловой изоляции стен и водоохлаждаемых балок в сочетании с бетонной оболочкой потери теплоты из рабочего пространства сокращают до 3-5% от тепловой мощности печи.

3 способ. Для повышения КИТ применяют следующие мероприятия:

- снижение температуры уходящих газов в методических и кольцевых печах путем теплообмена с металлом в неотапливаемой зоне;

- уменьшение объема продуктов сгорания на единицу топлива с помощью обогащения воздуха кислородом, путем повышения теплоты сгорания топлива, а также путем полного сжигания топлива при минимальном избытке воздуха;

- уплотнение рабочего пространства и регулирование давления газов в печи с целью устранения подсосов атмосферного воздуха.

Однако наиболее эффективным средством повышения КИТ и экономии топлива является утилизация теплоты уходящих из печи газов, в частности, путем нагрева воздуха и газообразного топлива в рекуператорах или регенераторах.

В рекуператорах доля теплоты, передаваемой воздуху по отношению к теплоте уходящих дымовых газов, составляет 30-40%. Остальная часть теплоты выносится в атмосферу.

На печах большой мощности устанавливают энергетические котлы-утилизаторы. Однако присущая нагревательным печам работа с переменной производительностью создает ненормальные условия для эксплуатации дорогостоящих котлов-утилизаторов.

Причины низкой эффективности существующих рекуператоров таковы:

- температура дымовых газов перед металлическим рекуператором не может быть выше 900-1000°С по условиям его долговечности;

- фактически температура дыма на входе в рекуператор значительно ниже в результате подсоса холодного воздуха в дымовой канал за печью, поэтому температура подогрева воздуха (либо газа) не превышает 300-400°С;

- керамические рекуператоры способны подогреть воздух до более высокой температуры, однако они громоздки и негерметичны. Утечки воздуха через неплотности достигают 50%, в результате чего снижается тепловая мощность печи и нарушается регулирование горения.

Перспективным направлением развития конструкций нагревательных печей в XXI веке является применение для утилизации теплоты печных газов малогабаритных, в частности, шариковых регенераторов. Регенеративные печи нового типа получают распространение в мире по мере накопления опыта их эксплуатации. Насадка малогабаритных регенераторов, применяемых в промышленных нагревательных печах, состоит из корундовых окатышей диаметром 20-25 мм, содержащих 98% Al2O3. Поверхность нагрева 1 м3 такой насадки в 10-15 раз больше, чем кирпичной насадки типа Сименс. Поэтому шариковый регенератор имеет небольшие габариты и может устанавливаться в стенах печи или в так называемой регенеративной горелке. Чтобы возвратить в печь с нагретым воздухом и, при необходимости, с газом как можно больше теплоты, уносимой дымом, насадка регенератора не должна прогреться по всей высоте, поэтому через 1-3 минуты делают перекидку клапанов – дымовоздушных и газовых, при этом температура дыма на выходе из регенератора не превышает 150-200°С.

Шариковые регенераторы возвращают в печь 85-90% теплоты уходящих из печи газов. Температура подогрева воздуха примерно на 100°С ниже температуры дыма на выходе из печи. Расход топлива на печь сокращается в 1,5-2,0 раза. Наибольший эффект относится к печам, не имевшим рекуператоров. Перевод действующих печей на регенеративное отопление требует установки дымососа для преодоления аэродинамического сопротивления шариковой насадки.

В 2003 году на Украине введена в эксплуатацию первая нагревательная печь с шариковыми регенераторами. На комбинате "Криворожсталь" реконструирован типовой рекуперативный нагревательный колодец с отоплением из центра подины, в результате чего трубчатые керамические рекуператоры заменены шариковыми регенераторами для подогрева воздуха. Корундовые шарики изготавливаются Белокаменским огнеупорным заводом (Украина). Реконструкция выполнена с минимальным изменением существующей кладки колодца.

Для переключения регенераторов с дыма на воздух и с воздуха на дым через каждые 3 минуты служит один перекидной клапан.

Новизна конструкции состоит в том, что имеется по-прежнему одна постоянно включенная горелка в центре подины вследствие чего отсутствует перекидной газовый клапан, характерный для регенеративных печей.

Методические печи используются для нагрева металла перед прокаткой на листовых и сортовых станах. Методические печи относятся к печам непрерывного действия. Металл в своем движении последовательно проходит зоны печи: методическую (не отапливаемая зона предварительного нагрева); сварочную, в которой осуществляется быстрый нагрев металла; и томильную, где происходит выравнивание температур по сечению заготовки.

Достоинствами методических нагревательных печей являются непрерывный характер работы и относительно стабильный благодаря этому тепловой режим. Непрерывный характер работы методических печей облегчает автоматическое регулирование теплового режима.

В условиях нагрева заготовок с переменными геометрическими и теплотехническими параметрами, а также при переменном темпе выдачи заготовок из печей получение требуемого качества нагрева заготовок возможно лишь при автоматическом управлении работой участка нагревательных печей. Печи различаются по конструкции, но, тем не менее, у всех печей есть много общего в схемах автоматического контроля и регулирования.

Автоматически контролируются следующие параметры: температура (рабочего пространства в одной или нескольких точках; продуктов сгорания перед и после рекуператора и перед дымососом; подогретых воздуха и газа; первой секции металлических рекуператоров); расход (топлива на печь и по зонам отопления; воздуха; охлаждающей воды, если имеются водо-охлаждаемые детали); давление (в рабочем пространстве печи; газа и воздуха); разрежение в одной или нескольких точках дымового тракта.

Автоматически регулируются: температура в зонах рабочего пространства; давление в рабочем пространстве; качество сжигания топлива.

Для оповещения персонала о нарушениях в работе и автоматического отключения печи при возникновении аварийных ситуаций предусматривается система звуковой и световой сигнализации и отключения газа и воздуха на печь. Отсечка подачи газа и воздуха к горелкам осуществляется при падении давления одного из компонентов горелки и отключении питания приборов КИПиА.

Наиболее сложным вопросом управления нагревательными печами является определения законченности процесса нагрева заготовки. Если определить температуру поверхности еще возможно, то задача определения нагрева центра заготовки является сложной и неразрешимой в промышленном масштабе. Сейчас наиболее эффективно использовать математическую модель нагрева слитка по данным которой управлять процессом нагрева. Для оценки адекватности модели необходимо проводить эксперименты на заготовках и периодически адаптировать ее под текущие производственные условия.

Тепловые процессы, протекающие в нагревательных печах, крайне многообразны. Процессы горения, движения газов, теплообмена, протекающие при высоких температурах сложны и неразрывны. Поэтому исследование теплообмена и его математическое описание представляет собой крайне трудную задачу, решение которой имеет важное теоретическое и практическое значение. Для выработки надежного режима работы необходимы многочисленные экспериментальные исследования на действующих печах. Однако экспериментальное изучение теплообмена в высокотемпературных печах весьма затруднено. Такие эксперименты как измерение тепловых потоков в различных точках по длине и ширине печи, температуры факела и кладки, продвижение через печи сляба с размещенными в нем термопарами и ряд других могут выполняться лишь единично из-за сложности их, что не может обеспечить изучения многочисленных вариантов изменения режимных параметров печей. В таких условиях незаменимым становится математическое моделирование, требующее выполнения двух непременных условий: наличия возможности более точной математической модели процесса в обязательной строгой адаптации модели на действующем агрегате. Адаптация математической модели также требует сложных экспериментов на печах, однако, не столь многочисленных, как при эмпирическом исследовании в печах. Строго адаптированная математическая модель позволяет с использованием компьютера проанализировать практически любое число вариантов, чего совершенно невозможно сделать при эмпирическом методе исследования, и выбрать оптимальные условия тепловой работы печей для нагрева того или иного металла. При создании моделей методических печей встречается ряд трудностей, связанных со сложностью протекающих процессов и с недостаточной изученностью многих из них.

Методическая печь состоит из нескольких зон, ни одну из которых нельзя рассматривать автономно. Даже первая по ходу газов — томильная зона находится в состоянии теплообмена с последующей сварочной зоной. Все зоны (кроме томильной) испытывают на себе влияние других зон не только в результате протекания процессов взаимного теплообмена, но и в результате перехода продуктов сгорания из предыдущей зоны в последующую. Недостаточная изученность процессов тепловыделения в пламени и теплоотдачи от пламени, усиленных влиянием приходящих из других зон продуктов сгорания, крайне затрудняет решение вопроса о температуре в каждой зоне, которая может изменяться не только по длине, но по ширине и высоте печи. Все это делает решение по выбору температуры весьма приближенным. Очень часто температуры в томильной и сварочных зонах принимаются постоянными.

В методических печах преобладающим (80%) является теплообмен излучением. Подавляющее большинство компонентов теплообмена излучением в рабочем пространстве печей имеет селективные радиационные свойства, которые должны быть учтены при расчете теплообмена, что также создает большие математические трудности.

В процессе нагрева металл подвергается окислению, причем по мере продвижения металла к торцу выдачи толщина слоя окалины увеличивается. Окалина представляет собой прежде всего значительное тепловое сопротивление: установлено, что перепад температуры в слое окалины достигает 100 С и более. Но этим влияние окалины на процесс нагрева не ограничивается. Окалина имеет отличные от металла радиационные свойства (спектральные степень черноты и поглощательную способность), что также оказывает влияние на теплообмен излучением.

В методических печах предприятий черной металлургии нагреву поддаются более двух с половиной тысяч различных марок сталей, каждая из которых характеризуется своими величинами теплопроводности и теплоемкости, зависящими от температуры. Это крайне усложняет математическую модель, для многочисленных марок сталей.

В соответствии с уравнением энергетического баланса существует три уровня потребления энергии. Первый уровень характеризуется эффективным поглощением тепла слябом в процессе нагрева, и составляет 60 % общей энергии. Во втором уровне нагрев происходит за счет сгорания топлива, составляя 20 - 30 %. Во время третьего уровня, тепло поглощается за счет излучения поверхности и других утечек энергии, обусловленных структурой печи. Таким образом, температура уходящих продуктов сгорания является переменной, контролирующей расход энергии.

Существуют два вида потерь энергии, причиной которых является уходящие продукты сгорания топлива и потери тепла, связанные с неполным сгоранием топлива. Следовательно, схема исследования сохранения энергии включает уменьшение температуры уходящих продуктов сгорания и повышение эффективности сгорания топлива.

Таким образом, нагревательные печи металлургии и машиностроения сегодня и в ближайшем будущем должны обеспечивать:

- высокую равномерность и стандартность нагрева изделий на основе управления процессами движения газов и сжигания топлива;

- глубокую утилизацию теплоты уходящих газов на уровне КИТ = 85- 90%, в частности с применением малогабаритных регенераторов для нагрева воздуха и, в случае необходимости, газообразного топлива с соблюдением экологических требований;

- минимальные потери теплоты на разогрев футеровки и через элементы конструкции печей в окружающую среду путем использования огнеупорных и теплоизоляционных волокнистых изделий;

- малоокислительный режим нагрева со снижением потерь металла в окалину до 0,5% массы нагреваемых изделий.

Актуальным научным направлением развития нагревательных печей является разработка новых горелочных устройств для объемного сжигания топлива с высокотемпературным воздухом, а также систем отопления нагревательных и термических печей с малогабаритными регенераторами.

Методические нагревательные печи

один канал в середине сечения заготовки, а другие два — рядом, по другой вертикальной оси (один вблизи верхней, а другой на таком же расстоянии вблизи нижней поверхности заготовки).

Весьма существенно, чтобы во время измерения температуры внутри металла соблюдались условия, приведенные выше для случая наблюдения за температурой поверхности заготовки.

Во время равномерного движения металла в методической и сварочной зонах печи распределение температуры по сечению заготовки происходит по параболическому закону. Исходя из данных температуры, измеренной в трех точках внутри заготовки, можно расчетным путем определить температуру нижней и верхней поверхностей заготовки.

Этот расчет можно выполнить, решая уравнение параболы:

которое для трех точек замера температуры (рис. 2) может быть выражено следующими уравнениями:

Решая эти уравнения относительно х₀, получим

Решая совместно уравнения (1) и (2) и уравнения (1) и (3), после ряда преобразований получим

При подготовке к измерениям температуры внутри металла следует иметь в виду, что два крайних канала в заготовке, которую приспосабливают для замеров, следует сверлить возможно ближе к поверхностям. Это увеличивает перепад измеряемых температур и повышает точность расчетов. Так как температура в металле быстро растет, то желательно, чтобы ее измеряли одновременно во всех трех точках сечения.

3. ПРОЦЕСС ГОРЕНИЯ (КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ)

В томильной зоне стараются вести процесс горения с некоторым недостатком воздуха (при а = 0,85 - 0,9), чтобы уменьшить окисление металла и особенно не оплавить на нем окалины. Оплавление окалины ведет не только к образованию шлаковых наростов на монолитной подине, но и затрудняет прокатку. Слитки с оплавленной окалиной буксуют при задаче их в валки стана и снижают темп прокатки.

Продукты химического недожога, поступающие из томильной зоны, дожигают в печи, подавая избыток воздуха в сварочную зону. В последней, наоборот, необходимо обеспечить минимальную химическую неполноту сгорания топлива с тем, чтобы в методической части происходила утилизация физического тепла продуктов сгорания, поступающих из сварочной зоны. На практике такой оптимальный режим в сварочной зоне достигается при применении совершенных газовых сожигательных устройств, обеспечивающих хорошее смешение топлива с воздухом (например, инжекционных газовых горелок), а при работе на менее совершенных газовых сожигательных устройствах (двухпроводных горелках типа «труба в трубе») или при мазутном отоплении процесс горения, как правило, растягивается и заканчивается в методической зоне.

Опыты показали, что если в печь не подсасывается воздух из атмосферы, то значение коэффициента избытка воздуха, подсчитанное по показаниям расходомеров топлива и воздуха, примерно совпадает со значением а, подсчитанным исходя из анализа продуктов горения в конце печи. При подсосе воздуха в печь указанного совпадения нет и значение а, подсчитанное на основании анализа, выше.

Для борьбы с чрезмерным избытком воздуха уменьшают подачу в печь вентиляторного воздуха или за счет избытка воздуха сжигают дополнительное количество топлива, если в этом есть необходимость. Такой метод регулирования процесса горения легче достигается при примерно постоянной производительности печи. Например, в процессе наладки методической печи с неизолированными подовыми трубами печь по всей длине находилась под некоторым положительным давлением. После изоляции подовых труб расход топлива резко сократился, конечная часть печи (на стороне посадки) оказалась под разрежением, и температура в ней понизилась. Для лучшего прогрева этой части печи уменьшили подачу воздуха к форсункам. Дожиганием мазута с использованием подсасываемого воздуха растянули факел и повысили температуру в конце печи. Однако значение а в этом месте не было всегда достаточно устойчивым и часто колебалось в пределах 0,95—1,05, что приводило к недожогу топлива.

Недостатком такого метода регулирования процесса горения является уменьшение доли горячего воздуха, поступающего в печь, если последняя оборудована рекуператором. Для лучшей организации процесса горения необходимо устранить подсосы воздуха в печь.

Коэффициент избытка воздуха в продуктах сгорания, покидающих рабочую камеру хорошо эксплуатируемых методических печей, отапливаемых газом, составляет обычно 1,05—1,15 при отсутствии продуктов химического недожога. С таким же избытком воздуха и с практически законченным процессом горения выходят из печи продукты сгорания мазута, если его сжигание хорошо организовано. Так, например, в методической печи, оборудованной форсунками высокого давления, при температуре воздуха для горения около 270° С коэффициент избытка воздуха в конце печи составлял всего 1,05 при наличии СО в пределах 0,1—0,5%. При помощи таких же форсунок на другой методической печи мазут сжигали неудовлетворительно даже при а = = 1,2-1,3 из-за плохого распыления топлива влажным паром пониженного давления.

При проведении наладочных работ часто выясняют состав продуктов сгорания только по содержанию в них С0₂ и 0₂, определенных на газоанализаторе Орса. При этом содержание СО находят расчетным путем, исходя из значения характеристики 0

Автор: Администрация

_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

Методические нагревательные печи

Методические нагревательные печи относятся к наиболее распространенному типу нагревательных печей. В зависимости от распределения температур в печи различали двухзонные или трехзонные методические печи, причем в методической зоне этих печей, как правило, не было сожигательных устройств. Построенные в последнее время многозонные методические печи называются четырехзонными, пятизонными — в зависимости от количества участков печи, оборудованных топливосожигательными устройствами.

Стремление к обеспечению высокопроизводительной работы печи ведет к повышению температуры, которая определяется тем, что к моменту выдачи металл должен быть соответствующим образом прогрет по всему сечению.

Чтобы не происходило оплавления поверхности металла, температуру в сварочной зоне в ряде случаев поддерживают на уровне 1300—1350° С.

При относительно длинной сварочной зоне, поддерживая температуру по длине зоны примерно на одинаково высоком уровне, можно ускорить нагрев металла, не прибегая к чрезмерному повышению температуры в ней.

Для повышения производительности печи и ускорения нагрева в ней относительно толстых заготовок без чрезмерного повышения температуры применяют двусторонний нагрев металла. В этом случае температура в нижней камере сварочной зоны печи обычно составляет 1250—1300° С, но бывает и выше.

Наиболее форсированный нагрев массивных тел происходит, если их нагревают с максимальной интенсивностью до заданной температуры поверхности с последующей выдержкой (томлением) при этой температуре.

Практически при нагреве рядовой стали температуру ее поверхности приходится ограничивать, чтобы не допустить оплавления окалины. Вследствие этого часто при форсированной работе печи температура поверхности металла в сварочной зоне превышает заданную температуру выдачи металла, а затем при выдержке происходит одновременно некоторое подстывание поверхности металла и выравнивание температуры по сечению (прогрев). Описанный режим осуществляется в трехзонных, а в последние годы и в многозонных печах, где после сварочной зоны металл продвигается в томильную зону.

Поскольку при таком режиме нагрев металла не заканчивается в сварочной зоне и прогрев его по сечению происходит в томильной зоне, в сварочной зоне представляется возможным поддерживать повышенную температуру. В результате нагрев поверхности металла в сварочной зоне до конечной температуры ускоряется, что повышает производительность печей. Наличие томильной зоны в трехзонных печах повышает производительность печей на 15—20%.

Как правило, в томильной зоне поддерживается постоянная температура продуктов сгорания, что легко достигается применением существующих средств автоматизации теплового режима печей.

В печах с томильной зоной температура поверхности металла несколько ниже, чем в методических печах без этой зоны, но металл лучше прогревается по сечению во время томления в печи.

Топливосожигающие устройства томильной и сварочной зон располагают на торцовых стенках печи, но есть методические печи, где топливосожигающие устройства расположены на боковых стенах сварочной зоны. Это позволяет обеспечить постоянную высокую температуру по длине зоны и интенсифицировать работу печи. Однако при этом затрудняются обслуживание печи и ее автоматизация.

В большинстве случаев в трехзонных методических печах наблюдались следующие температуры, °С: в томильной зоне 1250—1300, в верхней камере сварочной зоны 1280—1380 и выше (при форсированной работе), в нижней камере 1250—1340.

Широкий диапазон колебания температур в сварочной зоне наблюдается при неравномерной работе стана и резко меняющейся производительности печи. При установившейся нормальной работе поддерживаются промежуточные температуры, причем температурный режим выбирают, исходя из необходимости обеспечения: заданной температуры нагрева металла с допустимым перепадом температур по сечению, требуемой производительности печи при отсутствии брака по нагреву, предотвращения или сведения к минимуму оплавления окалины и образования жидкого или тестообразного шлака на поде печи.

Методические трехзонные печи часто работают с температурой в томильной зоне выше температуры в верхней камере сварочной зоны или равной ей; например, когда нельзя обеспечить необходимую повышенную производительность печи без продолжения интенсивного нагрева металла в томильной зоне. Бывает, что трехзонные печи с боковой выдачей металла приспосабливают для удаления шлака в жидком виде (особенно в тех случаях, когда греют слитки спокойной стали с необрезанной прибыльной частью).

В этом случае температура в томильной зоне повышается до 1400° С и выше, что необходимо для образования жидкого шлака. Имеются методические печи относительно короткие и с односторонним нагревом металла (так как в них греются тонкие заготовки), обслуживающие непрерывные мелкосортные и проволочные станы. Каждая из этих печей оборудована камерой, в которой может происходить томление металла, но работают они с температурой в томильной зоне выше, чем в сварочной, так как этот режим при малом значении томильной зоны для нагрева тонких заготовок при умеренных температурах в печи обеспечивает большую ее производительность. В рассматриваемых печах поддерживают следующие температуры: в томильной зоне 1250—1350° С; в сварочной зоне 1150—1250° С и в конце печи 900—1100° С. Чтобы с достаточной производительностью греть аналогичные заготовки небольшого сечения в двухзонных печах, не имеющих томильной камеры, в них поддерживают температуру 1400° С и выше.

При нагреве легированных и высоколегированных сталей при неправильном температурном режиме (здесь эти режимы не рассматриваются) наиболее вероятно возникновение брака по нагреву. В этом случае для поддержания должного режима нагрева более пригодны трехзонные методические печи с нижним отоплением, чем двухзонные.

В связи с ростом производительности прокатных станов возникла необходимость в повышении производительности печей. Это привело к постройке многозонных методических печей. В построенных четырехзонных печах дополнительная сварочная зона

расположена в верхней части печи, в пятизонных — также и в нижней части печей. Эти печи оборудованы томильной зоной и в них при поддержании соответствующих температур в отдельных зонах возможно обеспечить трехступенчатый режим нагрева металла, как и в трехзонных печах; топливосожигательные устройства устанавливают также на боковых стенах в конце методической зоны, увеличивая таким образом число отапливаемых зон печи и п-овышая тем самым ее производительность. Естественно, что при этом возрастает температура продуктов сгорания, уходящих из печи, что требует повышенного внимания к использованию тепла этих продуктов. Так как в этих печах сварочная зона занимает относительно большую часть длины печи, повышенная производительность может быть достигнута без чрезмерного повышения температуры в этой зоне. С этим обстоятельством особенно приходится считаться, когда дело касается нижних камер, так как высокая температура в них существенно влияет на рост пода томильной зоны, обусловленный накоплением шлака.

Созданию необходимого температурного режима в печи способствует должная конструкция ее профиля: на границе между сварочной и методической зонами свод печи выполняют с пережимом для уменьшения прямого излучения тепла из сварочной зоны в методическую; поддержанию пониженной температуры в томильной зоне (чтобы не перегреть поверхность металла) способствует наличие пережима в ее своде, уменьшающего прямое излучение на нее из сварочной зоны. Наличие пережима между томильной и сварочной зонами дает также возможность поддерживать положительное давление в томильной зоне, что особенно важно в печах с торцовой выдачей металла, где подсос воздуха в эту зону может быть особенно значителен. При эксплуатации печей наблюдались случаи, когда в месте пережима рабочего пространства между томильной и сварочной зонами происходили следующие ненормальности в работе: некоторое остывание металла в связи с пониженной теплоотдачей от кладки к металлу в этом месте, а также от подсоса воздуха из-за повышенной скорости продуктов сгорания в этом участке, и наоборот, перегрев металла при наличии в продуктах сгорания элементов химического недожога, сгорающих интенсивно под сводом в месте пережима при смешении с подсосанным воздухом; затрата значительных физических усилий на раскантовку металла в случаях его кострения, если высота рабочего пространства печи в месте пережима недостаточна для прохода закострившегося металла.

При некотором росте пода в результате образования шлака требуется, чтобы высота рабочего пространства в месте пережима была несколько больше суммы максимальной толщины двух заготовок (слитков). Встречаются печи с завышенной высотой

Автор: Администрация

Методическая печь

Методическая печь – проходная печь для нагрева металлических заготовок перед обработкой давлением (прокатка, ковка, штамповка). В свою очередь проходной печью называется печь непрерывного действия, в которой нагреваемые заготовки движутся вдоль печи, перемещаемые толкателем, рольгангом или другими механизмами. Загрузка и выгрузка проходной печи производятся через окна в торцовых стенах печи или в боковых стенках вблизи торцов.

В методической печи заготовки обычно передвигаются навстречу движению продуктов сгорания топлива; при таком противоточном движении достигается высокая степень использования теплоты, подаваемой в печь. Хотя встречаются прямоточные и прямопротивоточные печи. Заготовки проходят последовательно три теплотехнические зоны: методическую (зону предварительного подогрева), сварочную (зону нагрева) и томильную (зону выравнивания температур в заготовке). Иногда томильная зона может отсутствовать.

Методические печи классифицируют:

по числу зон отопления в сварочной зоне плюс методическая зона, и, если есть, томильная зона (2-, 3-, 4-, 5-зонные);
по способу транспортирования заготовок (толкательные, с подвижными балками и др.);
по конструктивным особенностям (с нижним обогревом, с наклонным подом, с плоским сводом и т.д.).

Методические печи отапливают газообразным или жидким топливом с помощью горелок или форсунок.

Можно отметить, что, в отличие от нагрева металла в колодцах, тепловой поток на поверхность металла в начальный период нагрева (методическая зона) нарастает. Одновременно температура поверхности сначала резко увеличивается (скорость нагрева максимальная), а затем повышается медленнее (скорость нагрева падает) с постепенным увеличением скорости к концу методической зоны.

Преимущество многозонных печей перед двухзонными: гибкость в регулировке режима нагрева и, соответственно, меньший расход топлива при высоком качестве нагрева металла.

Недостаток: усложнение конструкции системы отопления.

Под качеством нагрева понимается: точность получения заданных температур в конце нагрева, величина окисления и обезуглероживания поверхности заготовок, точность сохранения формы заготовок после воздействия термических напряжений. Ориентировочные значения отдельных показателей качества: температура нагрева заготовок в методических печах 1100-1250 °С; перепад температуры в конце нагрева – 400-1000 °С/метр толщины заготовки; количество окислившегося металла – 0,5-2 %; толщина обезуглероженного слоя – 0,5-1,5 мм.

Печи различаются по способу транспортирования: толкательную печь, печь с шагающим подом, кольцевую печь, печь с шагающими балками и секционная печь. Секционная печь не выделяется в отдельную группу методически-камерных печей, как иногда делается в литературе, а относим к методическим печам, т.к. по своей сути секционная печь в первую очередь все-таки проходная печь и подходит под общее определение методических печей.

Методические печи характеризуются наличием нескольких зон по длине печи. Т.к. тепловой баланс обычно составляется для определения расхода топлива и выбора горелок, то тепловой баланс методических печей часто приходится составлять для отдельных зон. В частности, для секционных печей, включающих 20 и более секций, тепловой баланс может быть составлен для каждой секции.

Методические печи

После прокатки слитков на блюмингах и слябингах стальные заготовки приобретают квадратные или прямоугольные сечения с размерами 400×400 или 250×1000 мм и длиной 1012 м. Для дальнейшей технологической обработки заготовки нагревают до температуры 12001250 °C в методических печных установках непрерывного действия с несколькими тепловыми зонами по длине. Металл перемещается от загрузочного до разгрузочного окна, проходя последовательно все тепловые зоны, в соответствии с требуемым графиком нагрева.

Методическая печь представляет собой туннель, на одном конце которого находится загрузочное устройство и отвод продуктов сгорания, а на противоположном – разгрузочное устройство и горелки. Перемещение заготовок производится с помощью толкателя – при загрузке одной заготовки нагретая заготовка выдается с противопо ложной стороны (рис. 2.5).

Рекомендуемый температурный режим поддерживается при наличии газовых горелок, которые могут располагаться снизу и сверху туннеля ближе к разгрузочному концу туннеля. Холодный металл поступает в зону низких температур продуктов сгорания, постепенно продвигаясь в зону более высоких температур.

Методическая печь – тепломассообменный аппарат с противоточным движением греющего агента и нагреваемого материала.

Первая по ходу металла зона называется методической с равномерно повышающейся температурой продуктов сгорания газообразного топлива. Постепенный нагрев металла в методической зоне должен обеспечивать необходимую скорость нагрева, при которой не возникает недопустимого перепада температур по сечению заготовки.

НАУЧНО-ИНФОРМАЦИОННЫЙ ЦЕНТР САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА РАСТИТЕЛЬНЫХ ПОЛИМЕРОВ

Расчет длительности нагрева материала в методических печах за счет конвективного теплообмена

На рис. 2.7 показан подвод теплоты к материалу из окружающей среды за счет теплообмена dQт и воспринятой теплоты, описываемой уравнением теплового баланса dQб, а на рис. 2.8 – изменение температуры материала во времени на поверхности и в центре. В результате неравномерного распределения по толщине материала могут возникать термические напряжения, приводящие к короблению материала, трещинообразованию и другим дефектам.

Для решения этой задачи воспользуемся уравнениями теплового

баланса dQб и теплообмена dQт

dQб = m С dt, кДж/ч ; (2.22)

Читайте также: