книги из ГПНТБ / Блинов О.М. Основы металлургической теплотехники

обработки различных видов в пределах 20—200° С. В ка­ мерах нагрева низкотемпературных печей (температура не превышает 500—600° С) для интенсификации тепло­ обмена организуют принудительную рециркуляцию печ­ ной атмосферы.

Камера выдержки предназначена для создания усло­ вий для протекания структурных и химических превра­ щений внутри самого металла. Время выдержки, темпе­ ратурный уровень, состав атмосферы задается только технологическим режимом обработки.

Основное требование, которое предъявляют к тепло­ вой работе камер выдержки, —• обеспечение заданной температуры выдержки и равномерное распределение ее в камере.

Камера замедленного (регулируемого) охлаждения предназначена для охлаждения ленты со скоростями, за­ даваемыми режимом термической обработки. Главное требование, предъявляемое к тепловой работе этой каме­ ры, — точное регулирование температуры. Охлаждение осуществляется с помощью воздухоохлаждаемых труб. Воздух, проходя внутри труб, отбирает тепло, которое они получают от разогретой ленты. Скорость охлажде­ ния регулируется изменением расхода воздуха, пропус­ каемого через трубы. При увеличении расхода воздуха он отбирает большее количество тепла за единицу вре­ мени, что приводит к возрастанию скорости охлаждения, и наоборот.

Камера ускоренного охлаждения предназначена для быстрого охлаждения ленты до заданной температуры. Охлаждение ведется в атмосфере защитного газа. Чаще всего применяют азотную защитную атмосферу, состоя­ щую примерно из 96% азота и 4% водорода. Лента ос­ тывает в результате омывания струями защитного газа, который предварительно охлаждается сам, проходя че­ рез водяные холодильники. Обдувку ленты струями хо­ лодного защитного газа ведут с двух сторон, что резко сокращает время охлаждения и уменьшает длину каме­ ры ускоренного охлаждения.

В общем случае способы нагрева и охлаждения лен­ ты и соответствующие им устройства выбирают в зависи­ мости от конструктивных и технологических особенностей данной конкретной протяжной печи и соответствующей камеры.

Камеры нагрева обогревают в основном газообраз­

ным топливом: природным и коксовым газом и смесью этих газов с доменным. Теплота сгорания смеси газов составляет 5850—9200 кДж/м3, или 1400—2200 ккал/м3. Смешанный газ используют главным образом в низко- и среднетемпературных печах, а также в случае, если его сжигают в закрытых топках или радиантных трубах. Ис­ пользование такого газа, характеризуемого не очень вы­ сокой теплотой сгорания, позволяет получить большую равномерность нагрева и избежать местных перегревов. Коксовый газ вследствие большого содержания серы в нем применяют редко.

В печах для темной обработки ленту нагревают от­ крытым пламенем; при этом ее поверхность окисляется. В камерах нагрева печей для светлой обработки ленту отделяют от соприкосновения с продуктами сгорания, сжигая газ в радиантных трубах (муфелирование пла­ мени) или муфелируют ленту (муфелирование металла).

Электрический обогрев, хотя и имеет свои преимуще­ ства (легче создается равномерность нагрева, отсутству­ ет загрязнение защитного газа продуктами сгорания, меньше инерционность системы, повышенная точность ре­ гулирования температуры и т. д.), вследствие высокой стоимости электрической энергии пока не получил широ­ кого применения. Его используют в основном в камерах нагрева печей, обрабатывающих металл особого назна­ чения, например ленту из электротехнических сталей, ленту из нержавеющей стали. Электрический обогрев применяют также в камерах выдержки печей светлой об­ работки, где потребление энергии относительно невели­ ко, зато требуется высокая точность регулирования тем­ пературы.

С точки зрения тепловой работы протяжные печи представляют собой печи непрерывного действия с посто­ янным во времени и переменным по длине тепловым и температурным режимом. В зависимости от температуры нагрева ленты эти печи можно условно разделить на три

(1000° С).

В низкотемпературных печах передача тепла к ленте осуществляется только конвекцией, в среднетемператур­ ных — конвекцией и излучением, в высокотемператур­ ных — излучением.

Для обеспечения необходимого температурного режи-

нин примерно на 10%. Температура газов в плавильном

тепла сжигаемого топлива, а с уходящими газами теряет­ ся до 46% всего тепла (в то время как с жидкой сталью уносится 18,4%, а со шлаком 5,3%).

В прокатном производстве на нагрев металла в печах используется только лишь 10—35% тепла, выделяемого при сжигании топлива, а остальные 90—65% тепла те­ ряются, причем с уходящими газами, например, из на­ гревательных колодцев при холодном посаде слитков те­ ряется 56,5% тепла, поступающего в печь, в то время как полезно затраченное тепло, идущее на нагрев металла, составляет 31,5% всего тепла, вводимого в печь.

Поскольку с уходящими газами теряется огромное количество тепла, возникает необходимость каким-то об­ разом использовать его полезно. В настоящее время раз­ работаны способы и средства утилизации тепла уходя­ щих газов, что повышает экономичность процесса и ко­ эффициент использования тепла.

1. Теплотехнические основы утилизации тепла уходящих газов

В металлургическом производстве с целью утилиза­ ции тепла уходящих газов применяют рекуператоры, ре­ генераторы, котлы-утилизаторы.

В этих устройствах использование тепла газов идет

вдвух направлениях.

1.Тепло уходящих газов расходуется на подогрев воздуха и газообразного топлива, затрачиваемых на отоп­

ление печи, и, следовательно, снова возвращается в печь. В данном случае утилизация тепла газов непосредствен­ но влияет на работу печи, повышая температуру в рабо­ чем ее пространстве и увеличивая экономию топлива. Та­ кое использование тепла газов наблюдается при приме­ нении рекуператоров и регенераторов.

2. Тепло газов в печь не возвращается, а использу­ ется на обогрев котлов-утилизаторов, в которых выраба­ тывается пар, характеризуемый высокими температурой и давлением. В этом случае установка котла-утилизато­ ра за печью прямо не влияет на работу печи, но дает

или воздуха (или вместе и газа и воздуха) для топли­ ва различных видов различно, но дает всегда значитель­ ный экономический эффект, снижая в конечном счете стоимость нагрева металла.

б. Повышение температуры горения. Известно, что при сжигании жидкого или газообразного топлива выде­ ляется тепло, которое нагревает продукты сгорания до

где QP— низшая теплота сгорания топлива, кДж/м3, или кДж/кг;

Ѵпр— объем продуктов, образующихся при полном сжигании единицы топлива, м3/м3, или м3/кг; ср— средняя удельная теплоемкость продуктов сгорания, кД ж /(кг-град), или ккал/(кг-

•град).

Если газ и воздух были предварительно подогреты до какой-либо температуры и, следовательно, обладали фи­ зическим теплом (2ф, то это тепло тоже будет расходо­ ваться на подогрев продуктов сгорания. Следовательно, в числителе надо прибавить <2ф и тогда

Видно, что чем больше <2ф (Q£ для каждого вида топ­ лива есть величина постоянная), тем больше числитель и тем выше, следовательно, температура горения топли­ ва. Особенно это важно в том случае, когда топливо об­ ладает низкой теплотой сгорания. Тогда единственным способом повышения температуры горения, а следова­ тельно, и температуры печи является подогрев газа и воз­ духа, причем экономичнее всего это можно осуществить за счет тепла дымовых газов. Для печей, работающих на топливе, характеризуемом низкой теплотой сгорания, утилизация тепла уходящих дымовых газов преследует по существу одну цель — повышение температуры печи, и наоборот, утилизацию тепла дымовых газов позволяет использовать для отопления высокотемпературных пе­ чей топливо низкой теплоты сгорания.

в. Интенсификация горения топлива. Кроме экономии топлива и повышения температуры горения его, подогрев газа и воздуха приводит к более интенсивному протека­ нию самих реакций горения топлива. Так, например, для водорода при горении его на воздухе максимальная ско­ рость горения при подогреве смеси со 100 до 400 град увеличивается более чем в четыре раза. При сжигании жидкого топлива процесс горения также интенсифици­ руется вследствие того, что значительно ускоряется про­ цесс испарения жидкого топлива, и, следовательно, об­ разование газообразной смеси.

При сжигании твердого топлива ускоряется процесс смешения и горения летучих, предшествующий горению твердого топлива.

2. Рекуператоры

Схема движения газа и воздуха

Слово рекуперация (от слова рекуператор —■обратный получа­ тель) означает возвращение энергии, израсходованной один раз при проведении процесса, для повторного использования в этом же про­ цессе.

Рекуперация тепла уходящих дымовых газов осу­ ществляется в теплообменных устройствах, называемых рекуператорами. Отличительной особенностью работы рекуператоров является то, что нагревающий и нагревае­ мый газы движутся одновременно и отделены один от другого разделяющей поверхностью. Поскольку темпе­ ратура дымовых газов выше температуры холодного воздуха, то тепло будет передаваться через разделитель­ ную поверхность воздуху, постепенно нагревая его. Тепло от дымовых газов к стенке передается в основном кон­ векцией и излучением. Через стенку оно передается толь­ ко теплопроводностью, а от стенки к холодному возду­ ху — конвекцией.

Существует три основных схемы взаимного движе­ ния дымовых газов и воздуха.

Противоточная (противоток)

При противоточной схеме движения (рис. 57) дымо­ вые газы и нагреваемый воздух движутся параллельно, но навстречу друг другу (рис. 57, а). По мере прохожде­ ния через рекуператор температура дыма понижается, а температура воздуха повышается. На рис. 57, б пока­

зан принципиальный график изменения температуры ды­ ма (7д), воздуха (7В) и разделительной поверхности или стенки (7С) («Н» и «К» означают соответственно температуру в начале и конце нагрева). Из графика вид­

но, что если начальная температура дыма (7д) имеет максимальное значение, то значение начальной темпера-

Д ы м овы е га зы

Воздух

Дымовые газы

Рис. 57. Противоточная схема движения газов в рекуператоре

туры воздуха (7“ ) — минимальное, и наоборот. Особен­

ностью такой схемы движения является то, что конечная температура нагрева воздуха (7£) превышает конечную

температуру охлажденного дыма. Естественно, чем боль­ ше разность 7£—Т*, тем выше будет степень рекупера­

ции тепла, тем большее количество тепла снова будет возвращено в печь.

Поэтому такую схему обычно используют при примене­ нии керамических и металлических рекуператоров при относительно невысоких температурах уходящих дымо­ вых газов.

Прямоточная (прямоток)

При прямоточной схеме движения (рис. 58) дым и воздух движутся параллельно друг другу в одном на­ правлении. В начальный момент между температурой

дыма и воздуха наблюдается большая разница. По мере нагрева воздуха и охлаждения дымовых газов эта раз­ ница уменьшается, причем конечная температура возду­ ха (7^) никогда не превышает конечную температуру

охлажденных дымовых газов (Т“). Поэтому прямоточ­ ная схема менее эффективна, чем противоточная. Что ка­

рие. 58. Прямоточная схема движения газов в рекуператоре

сается температуры разделительной стенки, то, во-пер­ вых, она постоянна, во-вторых, ниже максимальной тем­ пературы стенки при противотоке, следовательно, условия службы стенок легче. Прямоточную схему применяют при использовании металлических рекуператоров в том слу­ чае, если температура входящих в рекуператор дымовых газов настолько велика, что появляется опасность раз­ рушения стенок рекуператора. Подача на вход рекупе­ ратора одновременно с горячими дымовыми газами хо­ лодного воздуха приводит к резкому снижению темпера­ туры стенок и, следовательно, облегчению условий их службы.

Перекрестная

При такой схеме (рис. 59—61) дымовые газы и воз­ дух движутся во взаимно перпендикулярных направле­ ниях. Различают одноходовую, двухходовую и многохо­ довую схемы перекрестного движения. На рис. 60 пока­ зана двухходовая, а на рис. 61 — четырехходовая схемы движения. Для более эффективной работы многоходо­ вые рекуператоры, как правило, выполняют по пере-

крестно-противоточной схеме. Перекрестная схема дви­ жения газов является основной при работе керамических рекуператорв.

Дымобые газы

Второй/од

Рис. 60. Двухходовая схема пере­ крестного движения газов в реку­ ператоре

Основы расчета рекуператоров

Часто при расчете печей необходимо рассчитать и рекуператор. Основной целью расчета является определение суммарной поверх­ ности теплообмена между дымом и воздухом. Как уже говорилось, от высокотемпературных дымовых газов к холодному воздуху тепло может передаваться:

1)конвекцией и излучением — от дымовых газов к разделяющей поверхности (на дымовой стороне рекуператора);

2)теплопроводностью — от одной поверхности стенки к другой,

3)конвекцией — от стенки воздуху (на воздушной стороне).

Весь этот суммарный процесс передачи тепла можно описать од­ ним коэффициентом теплопередачи К Вт/(м2-град). Физический смысл этого коэффициента представляется как количество тепла, ко­ торое передается от одной среды к другой через разделительную стенку через 1 м2 ее поверхности за единицу времени при разности температур между теплоотдающей и тепловоспринимающей газовыми средами, равной 1 град. Зная, например, количество подогреваемого воздуха, прошедшего через рекуператор за 1 ч, т. е. Ѵу м3, его удель­

ную теплоемкость ср и температуру в начале Т\ и конце нагрева

Гд, можно определить количество тепла, переданное воздуху за 1 ч по формуле: