Нагревательные печи.

Нагревательными печами обычно называют печи для нагрева металла перед последующей обработкой давлением (прокаткой, ковкой, штамповкой). При нагреве металл становится более пластичным, что значительно уменьшает энергозатраты на его деформацию. Максимальная температура нагрева ограничена, так называемой, температурой пережога, когда на границах зерен металла возникает жидкая фаза. Это приводит к уменьшению механической связи зерен и потере прочности материала. Для большинства углеродистых сталей это температуры 1330-1380˚С. Рабочая температура в печи, как правило, не превышает 1400-1450˚С.

Принцип действия

Перед проведением пластической деформации, большое значение имеет равномерность нагрева материала, которая зависит от разности температур поверхности и оси заготовки. Поскольку температура нагрева влияет на пластические свойства материала, то неравномерность нагрева может вызвать, в дальнейшем, неравномерную деформацию. Обычно принимают допустимый конечный перепад температур по толщине заготовки 2 ⁰С/см. Уменьшение этой разницы повышает качество проката, но увеличивает время нагрева заготовок, снижает производительность печи, и увеличивает угар металла.

Нагревательные печи делятся на:

- печи непрерывного действия (методические печи);

- печи периодического действия (нагревательные колодцы).

Для нагрева крупных заготовок весом до 35 тонн, как правило, используются нагревательные колодцы, в которых вертикально располагают 5-7 иногда до 14 слитков (садка печи). Группа нагревательных колодцев обеспечивает бесперебойную работу прокатного стана. Сталеплавильные печи выдают плавки с определенным временным интервалом. Мартеновские печи с интервалом 4-6 часов, конвертеры 1-1,5 часа. После выработки своего ресурса печи останавливают на ремонт. В этот период времени нагревательные колодцы используют, для нагрева, заготовки со складов. Такие печи выполняют роль своеобразного буфера между плавильными печами и прокатными станами, обеспечивая их непрерывную работу.

Различают режимы нагрева металла в нагревательных колодцах:

- из холодного состояния;

- из неостывшего состояния.

При нагреве холодных слитков из углеродистых и легированных сталей, первая стадия нагрева происходит при пониженной мощности и температуре печи. «Осторожный» нагрев идет до достижения на оси температуры 550˚С, когда практически исчезают упругие свойства металла. В дальнейшем скорость нагрева, мощность и температуру печи увеличивают. При нагреве неостывших заготовок (горячем посаде) с температурой более 500˚С, ограничений по скорости нагрева почти нет, для всех марок стали.

Время нагрева слитков зависит от температуры печи и заданной конечной неравномерности нагрева слитка, которая обычно составляет 1-2 град на 1см толщины заготовки, что удовлетворяет условиям пластической деформации. Уменьшение неравномерности нагрева слитка до 0,5град на 1см, увеличивает время нагрева до 20%, уменьшает производительность печи и самое главное увеличивает угар металла с 1-1,5% до 2,5%.

Рабочая температура в нагревательных колодцах составляет 1350-1400˚С. Тепловую мощность нагревательных колодцев выбирают так, чтобы обеспечить быстрый подъем температуры кладки и поверхности слитков в начале нагрева.

На заводах с высокой культурой производства, доля нагрева неостывших заготовок достигает 90-95%. Чем выше процент горячего посада и начальная температура слитков, тем меньше время нагрева заготовок, больше производительность нагревательных колодцев и тем ниже удельный расход топлива на нагрев металла.

На рис.__ приведены данные, которые показывают зависимость длительности нагрева заготовок от температуры посада и тепловой мощности

Рис. __Зависимость продолжительности нагрева от температуры поверхности слитков и тепловой мощности колодца.

Каждый нагревательный колодец в отдельности называется ячейкой. Несколько ячеек составляют группу. Для группы ячеек предусмотрена одна дымовая труба и помещение для КИП.

Современные нагревательные колодцы это камерные печи периодического действия, с периодическим во времени тепловым и температурным режимами.

Рис.__ Регенеративный нагревательный колодец:

1-крышка; 2-механизм для перемещения крышки; 3-газовый регенератор; 4-воздушный регенератор; 5-лючки для удаления коксика; 6-шлаковик; 7-рабочее пространство с размещенными в нем слитками.

В процессе нагрева металла происходит его поверхностное окисление с образованием окалины. Существует два способа удаления окалины: сухой и жидкий способ.

При сухом способе окалиноудаления на подину засыпается коксик, который впитывает окалину и через 5-6 садок удаляется через специальные лючки.

При жидком шлакоудалении подину выполняют из материала не взаимодействующего с окалиной (обычно магнезит или хромомагнезит). Окалина в жидком состоянии удаляется через специальную летку.

Рис.__ Рекуперативный нагревательный колодец:

1-камера для нагрева слитков; 2-рекуперативные подогреватели воздуха; 3-горелка.

Каждый из этих способов имеет свои недостатки.

При сухом способе окалиноудаления имеют место:

- дополнительные затраты на засыпку и удаление коксика;

- науглероживание донной части слитков;

- запыленность помещений коксовой пылью;

- наличие хранилищ коксика;

- отрицательное влияние коксовой пыли на стойкость огнеупоров кладки печи и воздухоподогревателей.

При жидком шлакоудалении:

- увеличены потери тепла с окалиной;

- необходимо вводить добавки снижающие температуру плавления окалины;

- в целом стойкость кладки и срок ее службы ниже, особенно подовой части печи.

Футеровка печи

Футеровка нагревательных колодцев, как правило, трехслойная:

- внутренний слой подовой части из магнезита или хромомагнезита; средний слой из шамота; наружный слой теплоизоляции из диатомитового кирпича;

- нижняя часть стен (внутри) до 1м высоты, футеруется магнезитом или хромомагнезитом, выше динасом; средняя часть кладки из шамота; теплоизоляция из диатомитового кирпича.

В футеровке крышек применяется шамот или коалиновый кирпич, обладающий большей огнеупорностью и стойкостью. Верхняя, съемная часть печи (крышка), в большинстве случаев - водоохлаждаемая.

Кладка регенераторов выполняется из динаса и шамота.

При использовании в кладке динаса необходимо учитывать его низкую термостойкость, поэтому нельзя допускать резкие колебания температур, особенно при нагреве холодных слитков. Температура динаса не должна опускаться ниже 1000 ⁰С.

В целом кладка регенеративных нагревательных колодцев служит до 9 месяцев, внутренний слой до трех месяцев.

В рекуперативных нагревательных колодцах срок службы кладки примерно в два раза больше.

Колодцы отапливаются смесью коксового и доменного газа с теплотворной способностью Q^н_р < 8000 Мдж/м³.

Время нагрева слитков, главный фактор влияющий на производительность печей. При нагреве слитков из холодного состояния применяется трехступенчатый режим нагрева:

1) предварительный нагрев до температуры 550˚С, когда металл приобретает пластические свойства;

2) ускоренный нагрев при максимальной тепловой мощности печи до конечной температуры поверхности заготовок;

3) период выдержки со снижением тепловой мощности, когда идет выравнивание температуры по толщине заготовок, при практически постоянной температуре поверхности заготовок, процесс томления. Конечный перепад температур в конце нагрева, не должен превышать 2˚С на 1 см толщины заготовки.

В настоящее время более эффективными являются рекуперативные нагревательные колодцы с одной горелкой. Регенеративные колодцы постепенно выводятся из эксплуатации, как менее эффективные.

Тепловой баланс

Примерный тепловой баланс камеры нагрева за один цикл нагрева, при работе на коксодоменной смеси и холодном посаде приведен в табл__

Таблица __.

Повышение эффективности.

Повышение эффективности работы нагревательных колодцев и их производительность зависит от ряда факторов:

- времени нагрева заготовок;

- выдерживания графика нагрева заготовок;

- времени перезагрузки печи;

- качества используемого топлива и формирования нужной формы факела

- полноты утилизации тепла уходящих газов.

Нагрев неостывших заготовок существенно сокращает время нагрева более чем в 2 раза и соответственно снижаются энергозатраты на нагрев и регулирование температурного режима в печи. При этом несколько увеличивается срок службы обмуровки печи, т.е. увеличивается межремонтный срок.

При точном выдерживании графика нагрева удается минимизировать угар материала и снизить возникающие термические напряжения.

Эффективность в большинстве пламенных печей сильно зависит от работы горелочных устройств, оптимального соотношения газ – воздух и особенно от температуры подогрева воздуха и низкокалорийного топлива. Высокотемпературный подогрев воздуха и топлива существенно снижает расход топлива и снижает потери печи с уходящими газами.