3.1.2.7. Перекидные клапаны
Мартеновская печь – агрегат реверсивного действия, в котором направление движения газов по системе печи периодически меняется. Для этого в боровах, а также в газопроводах и воздухопроводах устанавливают систему шиберов, клапанов, дросселей, задвижек, объединяемых общим названием "перекидные клапаны". Операция "перекидки клапанов" в современных мартеновских печах автоматизирована.
Из боровов дымовые газы поступают в дымовую трубу. Высоту трубы рассчитывают таким образом, чтобы создаваемая ею тяга (разрежение) была достаточной для преодоления сопротивления движению дымовых газов на всем пути.
Дымовая труба – сложное и дорогостоящее сооружение. Высота дымовых труб современных крупных мартеновских печей превышает 100 м. Дымовые трубы обычно выкладывают из красного кирпича с внутренней футеровкой из шамотного кирпича.
Таким образом, в конструкциях современных мартеновских печей широко используют следующие огнеупорные материалы: магнезит, магнезитохромит, форстерит, динас и шамот. Объем огнеупорной кладки 500 т печи составляет около 3750 м3. Ряд элементов печи изготовляют из металла, некоторые из них (рамы и заслонки завалочных окон, балки, поддерживающие свод рабочего пространства, перекидные клапаны и др.) соприкасаются с горячими газами и нуждаются в непрерывном охлаждении.
Расход воды на охлаждение этих элементов печи очень значителен. Современные большие мартеновские печи требуют для охлаждения более 400 м3 воды в 1 ч. С охлаждающей водой теряется 15 – 25 % общего количества тепла, вводимого в печь. Расход воды зависит от ее жесткости. Допустимая температура нагрева воды тем выше, чем меньше жесткость воды. Обычно допускается нагрев охлаждающей воды на 20 – 25 °С, что равносильно тому, что 1 л воды уносит 85 – 105 кДж.
Для уменьшения расхода воды водяное охлаждение ряда элементов печи заменяют испарительным. Если применять нетехническую, а химически очищенную воду, то можно, не боясь выпадения осадка (накипи), нагревать ее до 100 °С и выше. При этом от охлаждаемого элемента отводится не только тепло, затрачиваемое на нагревание воды до кипения, но и скрытая теплота парообразования (2,26 МДж/кг), т.е. 1 л воды отводит от охлаждаемого элемента печи не 85 – 105 кДж, а 2,58 – 2,6 МДж. Таким образом, расход воды можно сократить почти в 30 раз, кроме того, на больших печах получают при этом некоторое количество пара (до 10 т/ч), который может быть использован.
Существует также так называемое "горячее" охлаждение печей. Система горячего охлаждения технологически мало отличается от обычного способа охлаждения обычной производственной водой. Все охлаждаемые элементы печи остаются без изменения, но через них вместо обычной производственной воды с температурой 15 – 30 °С пропускают химически очищенную теплофикационную воду из оборотной теплофикационной сети с температурой 50 – 80 °С, которая, пройдя охлаждаемые элементы печи и подогревшись в них на 20 – 30 °С, возвращается обратно в теплофикационную сеть, где передает полученное тепло потребителю.
3.1.3. Нагревательные печи прокатных цехов
3.1.3.1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ЗАВОДОВ
Нагревательными печами обычно называют печи, в которых металл нагревается перед обработкой металла давлением (прокаткой, ковкой). Обычно прокатка металла осуществляется последовательно на нескольких станах, чем и объясняется состав парка печей.
В последнее время наряду с увеличением производительности прокатных станов происходят интенсификация нагрева металла (с соблюдением требований по качеству нагрева) и стремление к максимально возможной механизации и автоматизации работы печей.
При современном, поточном производстве логичным является стремление включить печи в поточные линии. Для этого необходимо, чтобы металл перемещался в печи с помощью таких механизмов, которые не только обеспечивают прохождение металла с цикличностью, необходимой для поточного производства, но и представляют возможность для быстрого опоражнивания печи в случае необходимости. Наиболее совершенными с этой точки зрения являются печи с роликовым подом, роликовый под которых представляет собой по существу продолжение рольганга цеха. Однако использование печей с роликовым подом пока ограниченно в основном в результате недостаточной стойкости роликов в высокотемпературных печах при их значительной ширине. Поэтому весьма распространенными и перспективными являются также печи с шагающим подом, которые с успехом применяются при нагреве заготовок длиной 10 – 14 м.
Современная печь – это высокомеханизированный и автоматизированный агрегат, в котором автоматически поддерживается заданный тепловой режим, т. е. заданная температура, расход топлива, соотношение топлива и воздуха, давление в печи.
В последнее время в связи с развитием и возникновением новых процессов в технологии прокатки предъявляют и новые требования к нагревательным печам. Широкое развитие получают процессы непрерывной прокатки, когда заготовка проходит неоднократное последовательное обжатие без промежуточных подогревов. Этот процесс тем эффективнее, чем длиннее прокатываемые заготовки.
Весьма перспективным является метод бесконечной прокатки, для обеспечения которой осуществляют стыковую сварку отдельных заготовок в горячем состоянии в одну непрерывную полосу. Такой метод прокатки позволяет повысить скорость прокатки, производительность стана, применять более легкое прокатное оборудование, но требует полной синхронности в работе прокатных, сварочных и печных механизмов.
Во время сварки заготовка остывает, поэтому ее с начала или надо перегревать до весьма высокой температуры (~1573 К), или нагревать в два этапа: перед сваркой до 1373 К и после сварки до температуры прокатки. В обоих случаях для нагрева перед сваркой оптимальной конструкцией является печь с шагающим подом, так как она позволяет удовлетворительно организовать удаление окалины, представляет собой высокомеханизированный и автоматизированный агрегат и удовлетворяет требованиям современного поточного производства.
После сварки целесообразно применять индукционный нагрев, однако в этом случае требуется совершенно прямая заготовка. Чем длиннее заготовка, тем более вероятна возможность ее искривления.
Кроме прямоугольных заготовок, на заводах черной металлургии нагреву подвергаются цилиндрические заготовки, которые в дальнейшем подвергаются обработке на трубопрокатных и колесопрокатных станах. Для нагрева таких заготовок применяются печи с кольцевым подом.
Нагревательные печи могут быть печами периодического и постоянного действия. В печах периодического действия металл загружается в остуженную печь и затем постепенно нагревается вместе с печью. Большинство нагревательных печей сталепрокатных цехов является печами постоянного действия. Вместе с тем температура в пределах рабочего пространства таких печей может изменяться в соответствии с необходимостью создания целесообразного режима нагрева.
3.1.3.2. ПЕЧИ ДЛЯ НАГРЕВА СЛИТКОВ (НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ КОЛОДЦЫ)
Основные особенности. Слитки металла, полученные в мартеновском, конверторном или электросталеплавильном цехах, перед прокаткой на обжимном стане подвергают дополнительному нагреву. Обычно толщина их не менее 400 мм, поэтому для ускорения и повышения качества нагрева целесообразно нагревать их с четырех сторон, располагая вертикально. Подобный нагрев достигается применением нагревательных колодцев, которые по сравнению с печами других типов с точки зрения условий нагрева крупных слитков отличаются следующими преимуществами: l) вертикальным расположением слитков, обеспечивающим более быстрый и равномерный нагрев металла, а также исключающим возможность смещения усадочной раковины; 2) удобством транспортировки, загрузки и выгрузки металла при вертикальном положении слитков.
К нагревательным колодцам предъявляют определенные требования: 1) достаточно быстрый нагрев металла, обеспечивающий высокую производительность (общую и удельную); 2) качественный нагрев металла: равномерность нагрева по высоте и сечению слитков без местных оплавлений; равномерность нагрева всех слитков садки; 3) эффективная работа воздухо- и газоподогревателей, обеспечение невысокого удельного расхода топлива; 4) возможность надежного автоматического регулирования теплового режима; 5) высокие эксплуатационные качества (удобство удаления шлака, полное сжигание топлива в пределах рабочего пространства, достаточная герметизация рабочего пространства и теплообменных устройств, достаточная стойкость крышек и других частей нагревательных колодцев); 6) наиболее простая конструкция и невысокие капитальные затраты на строительство; 7) возможно большее количество металла, приходящегося на 1 м длины здания цеха.
Каждый нагревательный колодец в отдельности называется ячейкой. Несколько ячеек составляют группу. Для группы ячеек предусмотрена одна дымовая труба и общее помещение для контрольно-измерительных приборов. Производительность нагревательных колодцев обычно исчисляют на группу в год. Зная производительность стана и производительность одной группы, можно найти необходимое число групп нагревательных колодцев.
Тепловой и температурный режим. Современные нагревательные колодцы являются камерными печами периодического действия с переменным во времени тепловым и температурным режимами. В начальный период нагрева (период подъема температуры) подают максимальное количество тепла, соответствующее тепловой мощности колодцев. После того как кладка достигает рабочей температуры, начинается интенсивный нагрев металла.
На работу нагревательных колодцев очень большое влияние оказывает начальная температура слитков. Обычно нагревательные колодцы работают на горячем посаде, т. е. в ячейку для нагрева до температуры прокатки (1473 К) поступают не полностью остывшие после разливки слитки с температурой 973 – 1123 К. Чем выше процент горячего посада слитков и выше их начальная температура, тем выше производительность нагревательных колодцев и ниже удельный расход топлива на нагрев металла.
Рабочая температура в нагревательных колодцах составляет 1623 – 1673 К. Для обеспечения такой рабочей температуры топливо нужно сжигать так, чтобы калориметрическая температура горения достигала 2373 – 2473 К.
Шлакоудаление. В процессе нагрева металла происходит его окисление. Образовавшаяся окалина стекает по граням слитков на подину колодцев, с которой ее удаляют. Существуют два метода удаления окалины (шлакоудаления): сухое и жидкое.
При сухом шлакоудалении на подину колодца насыпают мелкий коксик, который впитывает окалину и через 5 – 6 всадов вместе с ней удаляется через специальные лючки. Затем сверху при открытой крышке засыпают краном новую порцию коксика, разравнивают его и вновь нагревают металл.
При жидком шлакоудалении коксик на поду отсутствует, подина выполняется из огнеупорных материалов, не взаимодействующих с окалиной (обычно хромомагнезит), окалина в жидком состоянии удаляется с пода ячейки через специальную летку.
Недостатки сухого шлакоудаления следующие: 1) непроизводительные.затраты времени на засыпку и удаление коксика; 2) замедленный прогрев и науглероживание донной части слитка, несколько утопленной в коксик; 3) необходимость иметь в цехе хранилище для коксика: при засыпке коксика образуется пыль, которая отрицательно влияет на керамику регенераторов и рекуператоров.
Однако сухое шлакоудаление – это единственный метод удаления окалины в таких конструкциях, где невозможно обеспечить жидкотекучесть окалины на поду ячейки. Этим обстоятельством и определяется область применения метода сухого шлакоудаления.
Жидкое шлакоудаление позволяет устранить недостатки, свойственные сухому шлакоудалению, но оно также имеет недостаток, заключающийся в том, что при жидком шлакоудалении неравномерно изнашивается подина колодца и слитки теряют устойчивость. При этом постоянное отекание шлака через летку возможно только тогда, когда на поду колодца поддерживается достаточно высокая температура, обеспечивающая жидкотекучесть шлака.
Футеровка и ее служба. В нагревательных колодцах огнеупорную футеровку рабочего пространства колодцев обычно выполняют из двух (не считая тепловой изоляции) не перевязанных между собой слоев. Это позволяет при ремонтах менять лишь первый, внутренний слой.
Подину колодцев выкладывают обычно в три слоя: внутренний слой из хромомагнезитового кирпича, затем шамотный кирпич и затем третий, внешний теплоизоляционный слой из диатомитового кирпича. При сухом шлакоудалении уровень подины по всей площади колодцев одинаков, при жидком шлакоудалении подину выкладывают с уклоном в сторону шлаковой летки.
Стены колодцев также выполняют трехслойными. Внешний слой теплоизоляционный, затем слой шамотного кирпича. Внуренний слой в нижней части стен (приблизительно на высоте 1 м) выполняется из хромомагнезита, остальное из динаса. Интенсивнее всего стены изнашиваются в месте опоры на них слитков. В связи с этим в этих местах предусматривают выступ кладки внутрь колодца. Эти выступы выполняют из динаса, хромомагнезита, каолинового кирпича. Стойкость выступов из динаса наименьшая.
В настоящее время применяют крышки с арочной футеровкой и подвесным сводом. В обоих случаях можно применять шамотный кирпич. В последнее время для футеровки крышек все более широко применяют каолиновый кирпич. Каолиновый кирпич в футеровке крышек значительно более стоек, поскольку обладает большей огнеупорностью и меньшей дополнительной усадкой.
Регенеративные колодцы. На некоторых заводах нашей, страны работают регенеративные нагревательные колодцы (рис. 126), вмещающие 6 – 8 слитков массой по 6 – 7 т каждый. Колодец снабжен двумя парами регенераторов, причем ближайшие к рабочему пространству регенераторы обязательно газовые. Газ и воздух подогревают примерно до 1073 К.
Рис. 126. Регенеративные нагревательные колодцы: 1 – крышка; 2 – механизм для перемещения крышки; 3 – рабочее пространство; 4 – воздушный регенератор; 5 – газовый регенератор; 6 – лючки для удаления коксика; 7 – шлаковик
Колодец работает реверсивно. Сначала топливо и воздух поступают с одной стороны и, нагреваясь в регенераторах, попадают в рабочее пространство. Образовавшиеся дымовые газы проходят через другую пару регенераторов и отдают свое тепло огнеупорной насадке. Затем происходит перекидка клапанов, и весь цикл повторяется. Металл нагревается до 1473 – 1523 К, температура в рабочем объеме колодца составляет 1623 – 1673 К.
Общая тепловая мощность подобных колодцев составляет 21 – 23 ГДж/ч, причем на долю горения топлива приходится ~ 65%, на долю тепла подогрева воздуха и газа ~ 35%. Нагревательные колодцы подобного типа могут работать на чистом доменном газе и на смеси коксового и доменного газов.
В регенеративных колодцах в каждой группе по четыре ячейки. Большинство нагревательных колодцев работает в основном на слитках горячего посада, причем температура горячего посада обычно составляет около 1023 К, но иногда достигает и. 1123 – 1143 К. Удельная доля слитков горячего посада по отношению к массе всех слитков достигает 95%. Увеличение температуры и массы горячего посада – один из важнейших резервов повышения производительности нагревательных колодцев и экономии топлива.
Производительность группы регенеративных колодцев рассматриваемой конструкции при 95% горячего посада с температурой примерно 1053 К составляет 300 тыс. т/год, а удельный расход тепла 1130 кДж/кг.
При строительстве новых обжимных станов регенеративные колодцы обычно не строят, так как они не обеспечивают должного качества нагрева металла и не могут быть надежно автоматизированы.
Рекуперативные колодцы. Колодцы с отоплением из центра пода (рис. 127). Нагревательные колодцы подобной конструкции широко применяют для нагрева слитков перед прокаткой на блюминге. Они достаточно надежны в эксплуатации, отапливают их смешанным коксодоменным газом с теплотой сгорания 5870 – 8370 кДж/м3 при помощи горелок, расположенных в центре пода. Группа колодца состоит из двух ячеек. В каждую ячейку помещают по 12 – 16 слитков.
Колодцы оборудованы керамическими рекуператорами из восьмигранных карбошамотных трубок для подогрева воздуха до 1073 – 1123 К. Воздух, пройдя через рекуператоры, поступает к горелке с двух сторон по сборным каналам. Газ подается в горелку по специальной трубе снизу вверх, поэтому факел направлен снизу вверх. Продукты сгорания удаляются из рабочего пространства через специальные окна и, пройдя через рекуператор, уходят в дымовую трубу.
Рис. 127. Рекуперативные колодцы с отоплением из центра подины: 1 – горелка; 2 – подвод холодного воздуха; 3 – сборные каналы для горячего воздуха; 4 – подподовые каналы для подвода горячего воздуха к горелке; 5 – окна для удаления дымовых газов в рекуператоры; 6 – рекуператоры; 7 – лючки для удаления коксика и окалины при сухом шлакоудалении
Рекуперативные колодцы с отоплением из центра пода в настоящее время работают на горячем посаде (90 – 95%), обеспечивая при этом производительность одной группы около 300 тыс. т/год. Удельный расход тепла на нагрев металла составляет 1047 – 1131 кДж/кг. Процесс нагрева металла в этих колодцах можно автоматизировать. Импульсную точку для измерения температуры выбирают на одной из боковых стен в зоне наиболее высоких температур, т. е. несколько выше верхней кромки слитка. Тепловая мощность колодцев с отоплением из центра пода составляет обычно 21 – 29 ГДж/ч.
Качество нагрева металла в рекуперативных колодцах с отоплением из центра пода выше, чем в регенеративных колодцах, но все-таки недостаточно. Вследствие вертикального расположения факела зона наибольших температур создается в верхней части рабочего пространства, что приводит к перегреву верхней части слитка при недостаточном нагреве его основания.
Воздух в рекуператор поступает обычно под давлением, в результате чего между воздушной и дымовой сторонами рекуператора возникает значительный перепад давлений (до 196 Н/м2) и создается возможность утечки воздуха в дымовые каналы. Утечка иногда достигает 40 – 50% всего воздуха, поданного в рекуператор.
Низкая герметичность рекуператоров влияет на работу колодцев, так как в результате утечек количество воздуха, достигшего горелки, становится недостаточным и неопределенным. При недостатке воздуха топливо не сгорает полностью в пределах рабочего пространства и дожигается в рекуператоре, что способствует его разрушению и дальнейшему увеличению утечки воздуха.
При уменьшении количества воздуха, попадающего в ячейку, приходится уменьшить количество подаваемого топлива, т. е. снижать тепловую нагрузку, а это в свою очередь приводит к снижению производительности колодца.
Ненадежная (по герметичности) работа рекуператоров наряду с высокой стоимостью сооружения является большим недостатком этих нагревательных колодцев. Поэтому предпринимают различные попытки уменьшить и стабилизировать во времени утечку воздуха, что необходимо для автоматизации теплового режима.
Колодцы с верхним отоплением. В последние годы строят колодцы с одной верхней горелкой, что объясняется увеличением производительности блюмингов до 6 млн. т/год и более. Увеличение производительности блюмингов предъявляет к нагревательным молодцам новые требования, которые в определенной мере реализуются применением колодцев с одной верхней горелкой.
Конструкция колодцев представлена на рис. 128. Колодец вытянутой формы с шириной до 3 м. В ячейке помещаются 14 слитков массой до 12 т каждый. Группа колодцев включает две или четыре ячейки. Тепловую нагрузку в этих колодцах поддерживают около 38 – 42 ГВт; удельный расход тепла составляет 1050 – 1130 кДж/кг. Поскольку на поду подобных колодцев температура относительно низкая, применяют сухое шлакоудале-ние.
Производительность колодцев подобного типа на группу из двух ячеек несколько меньше (до 250 тыс. т/год), чем колодцев с отоплением из центра пода. Это объясняется особенностями их тепловой работы. При компоновке четырех ячеек в группу эти колодцы обеспечивают производительность до 500 тыс. т/год.
Колодец отапливают газообразным топливом при различной степени подогрева воздуха. Выходные скорости в горелке должны быть выбраны так, чтобы кинетической энергии струй было достаточно для прохождения газов от горелки до дымоотборного окна по петлеобразной траектории. Плохое смешение топлива и воздуха приводит к тому, что наибольшая температура развивается около противоположной от горелки стены, на которой и выбирают импульсную точку для автоматизации теплового режима. При этом раньше других нагреваются слитки, находящиеся у этой стены.
Рис. 128. Нагревательные колодцы с одной верхней горелкой: 1 – керамический рекуператор; 2 – каналы для холодного воздуха; 3 – металлический рекуператор; 4 – подвод компрессорного воздуха; 5 – каналы для удаления дымовых газов из рабочего пространства колодца
Когда температура в выбранной импульсной точке достигает заданного значения, тогда для поддержания ее на этом уровне расход топлива начнет снижаться, кинетическая энергия струй топлива и воздуха будет уменьшаться. Это приведет к тому, что газы не будут достигать противоположной стенки и будут двигаться по прогрессивно укорачивающейся петле.
Таким образом, процесс нагревания садки протекает неравномерно, затягивается, поэтому производительность группы колодцев, состоящей из двух ячеек, меньше производительности колодцев с отоплением из центра пода. Однако колодцы с одной верхней горелкой более компактны и при одной и той же общей длине отделения нагревательных колодцев их можно установить несколько больше, чем колодцев с отоплением из центра пода.
Нагревательные колодцы с одной верхней горелкой обеспечивают наивысшую производительность на 1 м длины отделения. При использовании колодцев с одной верхней горелкой возникают значительные трудности с подогревом воздуха, для чего обычно применяют карбошамотные рекуператоры из восьмигранных трубок. Трудности эти заключаются в том, что вследствие узкой, удлиненной формы рабочего пространства приходится и рекуператор выполнять такой же формы. Однако при такой форме рекуператора создается высокое сопротивление на пути движения воздуха, для преодоления которого требуется весьма высокое давление. Кроме того, как указано выше, горелка должна создавать достаточно длинный факел, для чего также необходим определенный (500 – 600 Н/м2) резерв давления.
Необходимость значительного давления воздуха перед рекуператором приводит к возникновению большой утечки воздуха. Высокой герметичности можно достичь, если применять металлические рекуператоры. Существующие металлические рекуператоры не обеспечивают высокой температуры подогрева воздуха.
При использовании керамического рекуператора возможны два способа подачи воздуха. При первом способе для подвода воздуха от рекуператора к горелке применяют эксгаустер из жа-роупорного материала. Воздух просасывается через рекуператор и возможность утечки практически устраняется. Однако в этом случае температура подогрева воздуха ограничивается 673 – 723 К, так как при более высокой температуре существующие эксгаустеры работать не могут.
Второй способ предусматривает подачу воздуха из рекуператора к горелке при помощи инжектора (см. рис. 128), Инжектирующей средой служит воздух высокого давления (20 – 40 кН/м2), количество которого составляет 25 – 30% общего расхода и который подогревается в металлическом трубчатом рекуператоре до 523 – 623 К. В этом случае температура воздуха перед горелкой составляет 923 – 973 К. Если для инжектирования применять компрессорный воздух (5 – 7% общего расхода), то температура воздуха перед горелкой составит 973 – 1073 К.