Автоматизация печи

     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. 

2. Конструкция агрегата и технологический  процесс

     Методическая  печь — это агрегат непрерывного действия для нагрева металла  перед его прокаткой или ковкой. В данном проекте рассматривается методическая печь стана 3000 комбината имени Ильича.

     Нагрев  слябов производится в нагревательных семизонных печах с шагающими балками, с двухсторонним нагревом, с торцевым посадом и выдачей.

     Печь  имеет 7 технологических зон, в том  числе, первая зона объединяет верхние и нижние горелки у торца загрузки перед дымоходом. Далее по ходу металла расположены 3 зоны сверху (3,5,7) и 3 зоны снизу (2,4,6).

     Печь  по длине имеет 4 участка. Первый со стороны загрузки – методическая зона имеет одну зону подачи топлива. Далее по ходу металла участок форсированного нагрева слябов имеет две зоны подачи топлива – верхняя (зона 3) и нижняя (зона 2). Третий участок нагрева слябов до конечной температуры поверхности имеет верхнюю (зона 5) и нижнюю (зона 4) – зоны подачи топлива. Последняя, четвертая, ближе к стороне выдачи – томильный участок, имеет верхнюю (зону 7) и нижнюю (зону 6) подачи топлива.

     Рассмотрим  назначение зон. Методическая зона (первая по ходу металла) – характеризуется изменяющейся по длине температурой. В этой зоне металл постепенно подогревается до поступления в зону высоких температур (сварочную) во избежание возникновения чрезмерных термических напряжений. Тут осуществляется медленный нагрев металла в интервале температур от 0 до 500єC, что особенно важно для высококачественных легированных сталей. Вместе с тем методическая зона представляет собой противоточный теплообменник. Находящиеся в состоянии теплообмена дымовые газы и металл движутся навстречу друг другу. Металл нагревается дымовыми газами, т.е. утилизирует тепло дымовых газов, отходящих из зон высоких температур. Общее падение температуры дымовых газов в методической зоне весьма значительно. Обычно в зоне высоких температур методических печей температура газов держится на уровне 1300-1400єC, в конце же методической зоны она находится в пределах 850-1100єC. Методическая зона значительно увеличивает коэффициент использования топлива, который достигает 40-45%.

     Следующие по ходу металла – сварочные зоны или зоны высоких температур. В этих зонах осуществляется быстрый нагрев поверхности заготовки до конечной температуры. Для интенсивного нагрева поверхности металла в сварочных зонах необходимо обеспечивать температуру на 150-250єC выше, чем температура металла на выход из печи.

     Томильная зона (зона выдержки) – последняя по ходу металла. Она служит для выравнивания температур по сечению металла. В сварочных зонах до высоких температур нагревается только поверхность металла. В результате создается большой перепад температур по сечению металла, недопустимый по технологическим требованиям. Температуру в томильной зоне поддерживают всего на 30-50єC выше необходимой температуры нагрева металла. Поэтому температура поверхности металла в томильной зоне не меняется, а происходит только выравнивание температур по толщине заготовки.

     Транспортирование слябов в печи осуществляется шагающим подом. Дымоудаление производится через свод между первой и третьей зонами дымососом.

     Режим работы – непрерывный. Заготовки к печам подаются загрузочным рольгангом и фиксируются в определенном положении перед печью, а затем сталкивателем сдвигаются на неподвижные балки печи. Нагретые слябы выдаются с помощью машины безударной выдачи с нижним приводом.

     Данная  печь обеспечивает нагрев металла до температуры 1050-1120єC для сталей типа 06-14 Г2САФБ, 1150-1250єC для конструкционных сталей типа сталь 15-40.