Лекция 9

План лекции:

Конструкції та теплові режими печей.

Технологічні ланцюжки в металургії. Призначення нагрівальних і термічних печей. Нагрівальні печі металургії. Режими нагрівання злитків у нагрівальних колодязях. Приблизні матеріальний і тепловий баланси нагрівальних колодязів. Устрій і робота регенеративних (РГНК) і рекуперативних (РКНК) нагрівальних колодязів. Техніко-економічні показники РГНК і РКНК. Заходи щодо зниження витрати палива в РГНК і РКНК.

9 Конструкции и тепловые режимы печей

9.1 Технологические цепочки в металлургии

Для лучшего запоминания особенностей печей того или иного назначения надо уяснить себе место каждой печи в технологической цепочке металлургического завода. Традиционная (классическая) технологическая цепочка металлургического комбината представлена на рис. 9.1. На этом рисунке прямоугольниками обозначены основные типы (группы) печей, а овалами и кружочками – название используемого или образующегося материала. Для удобства пользования на схеме не показаны некоторые флюсующие материалы, используемые в ферросплавной, агломерационной, доменной и сталеплавильной печи, такие как: бой шамотного кирпича, плавиковый шпат, боксит, песок, марганцевая руда и некоторые другие.

В соответствии со схемой рис. 9.1 все металлургические печи условно делим на 3 группы:

1. группа печей для подготовки сырья;

2. группа плавильных печей;

3. группа нагревательных печей.

Это разделение сделано по логике технологической цепочки, а не по назначению печи. Так ферросплавная печь отнесена к печам для подготовки сырья, хотя и является плавильной по сути.

Наиболее распространенными являются нагревательные печи: на одну плавильную или обжиговую печь приходится 5-10 и более нагревательных, в том числе термических, печей.

Технологическая цепочка (рис. 9.1) постоянно совершенствуется. Например, всё шире используются, так называемые, печи металлизации, заменяющие коксовую и доменную печи. Постепенно, особенно при новом строительстве, нагревательные колодцы заменяются машинами непрерывного литья заготовок, чтобы исключить промежуточный продукт – слитки – перед получением заготовок. Практически каждое звено технологической цепочки в настоящее время подлежит критическому разбору и есть варианты замены или слияния звеньев.

Рис. 9.1 – Технологическая цепочка металлургического комбината

9.2 Назначение нагревательных и термических печей. Нагревательные печи металлургии

Нагревательная печь – печь для нагрева твёрдых материалов с целью повышения пластичности или изменения структуры этих материалов. В дальнейшем изложении мы будем понимать нагревательные печи как печи для нагрева материалов под обработку давлением. Нагрев материалов с целью изменения их структуры производится в термических печах.

Нагревательные печи – самый распространённый класс печей, поскольку широко применяются не только в чёрной металлургии, но и в цветной металлургии, в машиностроении и т.д.

На заводах чёрной металлургии используются нагревательные колодцы и методические печи для нагрева слитков и заготовок.

9.3 Нагревательные колодцы. Режимы нагрева слитков в нагревательных колодцах. Приближенные материальный и тепловой балансы нагревательных колодцев

Нагревательный колодец – печь периодического действия (с верхней загрузкой и выгрузкой) для нагрева крупных стальных слитков перед прокаткой на обжимном стане. В колодце происходит нагрев слитков массой от 2-3 до 25 тонн. Толщина слитков обычно превышает 350‑400 мм, поэтому нагрев ведут с 4 сторон, устанавливая слитки вертикально в рабочем пространстве колодца. Колодцы объединяют в группы (по 2 или 4 колодца) и для каждой группы предусматривается отдельная дымовая труба.

Нагревательный колодец является печью камерного типа. В нём поддерживается одинаковая температура по всему объёму.

Принцип работы любого колодца следующий. Сверху открывается крышка и в камеру с помощью крана загружаются от 4 до 24 слитков. Эти слитки нагреваются до необходимой температуры, а после нагрева извлекаются поштучно и направляются для прокатки на обжимные станы (блюминги и слябинги). Далее цикл загрузки и нагрева слитков повторяется. Характерный температурный и тепловой режим нагрева слитков изображён на рис. 9.2.

Рис. 9.2 – Режимы нагрева слитков в нагревательных колодцах:

а ‑ холодный посад; б ‑ горячий посад;

t_печ ‑ температура печи; t_п и t_с ‑ температуры поверхности и середины металла; q_п ‑ плотность теплового потока на поверхности металла

Нагрев имеет два периода. В первом периоде расход топлива или, другими словами, общая тепловая мощность печи – М, поддерживается на максимальном уровне. К концу этого периода температура печи достигает такого уровня, который в дальнейшем гарантирует качественный нагрев металла. Качество нагрева обеспечивается выдержкой во 2-м периоде при условии постоянства температуры печи (t_печ = const). В этом периоде достигает заданного значения температура поверхности металла (1200‑1350 С) и перепад температуры по сечению слитка. Известно, что удельный перепад температуры в конце нагрева должен быть не более 100-300 С на 1 метр толщины слитка. Первый период называют периодом нагрева или М = const, а второй период – периодом выдержки или t_печ = const. Можно отметить, что тепловой поток на металл в начальном периоде (М = const) несколько падает, а температура поверхности слитка повышается с постоянно снижающейся скоростью нагрева поверхности.

В нагревательные колодцы обычно поступает до 95 % слитков горячего посада с температурой поверхности, не превышающей 950-1000 С. При этом слиток может иметь жидкую сердцевину.

Обычно на металлургических заводах нагревательные колодцы являются своего рода буфером для сжигания низкокалорийного газообразного топлива (доменный газ, коксодоменная смесь). В этом случае высокая температура в рабочем пространстве достигается путём подогрева воздуха, а в ряде случаев (при сжигании доменного газа) – путём подогрева и газа.

В зависимости от способа нагрева воздуха и газа различают регенеративные (самые давние колодцы) и рекуперативные нагревательные колодцы. Рекуперативные колодцы разделяют на колодцы с центральной и верхней (самые современные конструкции колодцев) горелкой. Преимущества одних колодцев перед другими можно оценивать по капитальным затратам, удобству эксплуатации и компактности расположения в цехе, поскольку характеристики топливоиспользования во всех колодцах близки между собой.

Материальный и тепловой балансы нагревательных колодцев мало отличаются по своей структуре. Отличие связано с величиной статей балансов. Структура этих балансов на примере регенеративного колодца приведена в табл. 9.1 и 9.2.

При составлении теплового баланса обычно не учитываются потери теплоты на аккумуляцию теплоты кладкой, т.к. считается, что слитки металла загружаются в печь, разогретую предыдущей садкой. На самом деле во время загрузки слитков в колодец (при открытой крышке), из колодца уходит значительное количество теплоты и температура кладки снижается. Кстати, эти потери теплоты тоже не учитываются. Поэтому в начальный период работы колодца (М = const) желательно учитывать потери на аккумуляцию кладкой. Если слитки горячего посада имеют жидкую сердцевину, то при составлении теплового баланса нужно учитывать теплоту кристаллизации.

Таблица 9.1 – Ориентировочный материальный баланс процессов в рабочем пространстве нагревательного колодца (кг/кг нагретого металла)

Приход	На 1 кг мет.	Расход	На 1 кг мет.
1. Загружаемый металл	1,015	1. Нагретый металл	1,000
2. Топливо (доменный газ)	0,567	2. Продукты горения, в т.ч. а) продукты горения топлива ‑ 1,039; б) азот воздуха от окисления железа-0,018;	1,057
3. Воздух для горения топлива	0,472	3. Окалина на металле (80 % от всей окалины)	0,017
4. Воздух для окисления железа	0,024	4. Шлак, в т.ч. а) шлаковые составляющие ‑ 0,002; б) окалина (20 % от всей окалины) - 0,004	0,006
5. Шлаковые составляющие (куски футеровки, шлак прибыльной части слитков и т.п.)	0,002
Итого	2,080	Итого	2,080

Таблица 9.2 – Ориентировочный тепловой баланс регенеративного нагревательного колодца (на 1 кг нагретого металла)

Приход		%	Расход		%
1. Химическая энергия топлива	1675	59,9	1. Физическая теплота нагретого металла (t = 1230 С)	848	30,3
2. Физическая теплота топлива (t = 850 С)	563	20,1	2. Физическая теплота продуктов горения топлива (t = 1360 С)	1669	59,6
3. Физическая теплота воздуха для горения (t = 850 С)	438	15,6	3. Потери теплоты в окружающую среду	224	8,0
4. Физическая теплота воздуха для окисления железа (t = 850 С)	23	0,8	4. Физическая теплота азота воздуха от окисления металла (t = 1360 С)	29	1,0
5. Химическая энергия окисления железа	101	3,6	5. Физическая теплота окалины на металле (t = 1250 С)	19	0,7
6. Физическая теплота металла (t = 0 С)	0	0	6. Физическая теплота шлака	11	0,4
7. Физическая теплота шлака (t = 0 С)	0	0
Итого	2800	100,0	Итого	2800	100,0

Шлак удаляется в жидком и сухом виде. Шлак обычного состава переходит в жидкое состояние при температуре 1370-1400 С. Скрытая теплота шлакообразования составляет около 210 кДж/кг шлака. Эта теплота тоже может быть учтена при составлении теплового баланса.