Характеристика нагревательных печей заводов черной металлургии

Нагревательными печами называют печи, в которых осуще­ствляется нагрев металла перед обработкой давлением (прокаткой, ковкой). Часто прокатку металла ведут после­довательно на нескольких станах, чем и объясняется со­став парка печей.

В последнее время производительность вновь строящих­ся прокатных станов непрерывно увеличивается. Поэтому основными чертами общей тенденции развития печей явля­ются интенсификация нагрева металла (с соблюдением требований, предъявляемых к качеству нагрева) и стремле­ние к максимально возможной механизации и автоматиза­ции работы печей. Повышение интенсификации нагрева позволяет увеличить производительность печного агрегата и при современной, весьма высокой производительности прокатных станов устанавливать к каждому стану рацио­нальное число печей.

В настоящее время на заводах черной металлургии при­меняют как разливку стали по изложницам, так и непре­рывную разливку стали. В первом случае печное хозяйство включает в себя печи для нагрева слитков перед прокаткой на блюмингах и слябингах, во втором случае подобные печи отсутствуют.

Наиболее распространенным является нагрев прямо­угольных заготовок для чего применяют печи периодичес­кого (садочные) и постоянного (проходные) действия. В печах периодического действия металл загружается в полностью или частично остуженную печь, и затем постепен­но нагревается вместе с печью. Такой метод нагрева, когда температура печи меняется во времени, применяют при на­греве крупных слитков, которые надо греть медленно воизбежание возникновения чрезмерного температурного пе­репада. В черной металлургии на периодическом режиме работают нагревательные колодцы-печи, в которых слиток, стоящий вертикально, нагревается с четырех сторон. По­скольку размеры слитков значительные (толщина обычно около 600 мм, масса около 7 т), подобный нагрев с четырех сторон обеспечивает необходимую равномерность и произ­водительность.

В печах постоянного действия температура во времени остается неизменной. Вместе с тем температура по длине рабочего пространства таких печей может изменяться в соответствии с необходимостью создания целесообразного режима нагрева. Проходные печи постоянного действия — это наиболее распространенные нагревательные печи в чер­ной металлургии. Они очень многообразны как по способу транспортировки заготовки через печь, так и по методам отопления. Это толкательные печи, печи с шагающим и ро­ликовым подом; с торцевым, сводовым, боковым отоплени­ем. В таких печах может осуществляться как постепенный (методический) режим нагрева, так и весьма форсирован­ный камерный режим.

Наряду с тепловым и температурным режимом для ра­боты печей большое значение имеет режим давления в пе­чи. Идеальным был бы такой режим давления в печи, при котором холодный воздух не попадал бы в печь, а дымовые газы не выбивались бы из печи. Если холодный воздух по­падает в печь, то это приводит к излишнему расходу тепла и увеличивает угар металла. Чрезмерное выбивание дымо­вых газов приводит к увеличению потерь тепла, пагубно влияет на арматуру печи и затрудняет ее обслуживание. Для обеспечения оптимального режима давления в нагре­вательных колодцах стремятся под крышкой поддерживать небольшое избыточное давление. В проходных печах на уровне нагреваемых заготовок также целесообразно под­держивать небольшое избыточное давление, исключающее подсос воздуха в печь и большое выбивание дымовых газов. Однако полностью выдержать такое давление по всей дли­не печи не удается.

Печи для нагрева слитков (нагревательные колодцы)

Слитки металла, полученные в мартеновском, конвер­терном 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 греть 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 особенностями:

1) вертикальным расположением слитков, обеспечиваю­щим ускоренный и равномерный нагрев металла, а также исключающим возможность смещения усадочной раковины;

2) удобством транспортирования, 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;

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 элементов нагревательных колодцев);

6) наиболее простая конструкция и невысокие капитальные затраты на строительство.

Каждый нагревательный колодец в отдельности называ­ется ячейкой. Несколько ячеек составляют группы. Для груп­пы ячеек предусмотрены 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 режимы. Современные на­гревательные колодцы являются камерными печами перио­дического действия с переменным во времени тепловым и температурным режимом. В подавляющем большинстве нагревательных колодцев нагрев металла осуществляется садками, т.е. после выдачи всех нагреваемых слитков ячейки колодцев вновь загружают слитками. При выдаче и посадке слитков в результате частого открывания крыш­ки кладка рабочего пространства нагревательных колодцев охлаждается. Поэтому при работе колодцев на горячем по­саде в первый момент нагрева температура слитков выше температуры поверхности кладки и основной потребитель тепла в этот период — кладка колодца.

На рис. 122 показан температурный режим и приведен тепловой баланс колодца при нагреве слитков горячего посада для различных периодов нагрева. Из этого рисунка видно, что в начальный период нагрева подают максималь­ное количество тепла, соответствующее тепловой мощности колодцев. После того, как кладка достигнет своей рабочей температуры, начинается интенсивный нагрев металла.

Расход тепла поддерживают максимальным до тех пор, пока температура той части слитка, которая нагревается быстрее, не достигнет предельного значения. Этот период называется периодом нагрева. Вслед за ним наступает пе­риод выдержки, в течение которого происходит постепенное уменьшение расхода тепла, так как в течение этого времени температура поверхности слитков остается постоянной и тепло расходуется только на прогрев слитка по сечепию. В этот период температура отходящих продуктов сгорания остается приблизительно постоянной.

Тепловую мощность нагревательных колодцев выбира­ют так, чтобы обеспечить быстрый подъем температуры кладки и поверхности слитков в начале нагрева. При зани­женной мощности период нагрева затянется, а период вы­держки сократится, и полный цикл нагрева будет нерацио­нально большим. При завышенном максимальном расходе топлива период нагрева сократится, но увеличится нерав­номерность температуры по сечению слитка и период вы­держки затянется. Это также вызовет чрезмерное увеличе­ние длительности полного цикла нагрева.

На работу нагревательных колодцев очень большое влияние оказывает начальная температура слитков. Обыч­но нагревательные колодцы работают в подавляющей сте­пени на горячем посаде, т.е. в ячейку для нагрева до температуры прокатки (~ 1200°С) помещают еще не полно­стью остывшие после разливки слитки, температура кото­рых 700 – 850°С. Чем выше процент горячего посада и начальная температура слитков, тем больше производитель­ность нагревательных колодцев и тем ниже удельный рас­ход тепла на нагрев металла. Процент горячего посада и начальная температура слитков зависят от уровня орга­низации производства на данном предприятии. На тех заво­дах, где культура производства достаточно высока, горячий посад достигает 95%, а начальная температура слитков перед нагревом 800 – 850°С.

Оптимальное значение тепловой мощности (по химичес­кому теплу топлива) лежит в пределах 200 – 300 МДж/т садки.

Рабочая температура в нагревательных колодцах со­ставляет 1350 – 1400°С. Для обеспечения такой рабочей температуры нужно сжигать топливо так, чтобы калори­метрическая температура горения достигала 2100 – 2200°С.

Шлакоудаление. В процессе нагрева металла происхо­дит его окисление. Образовавшаяся окалина стекает по граням слитков на подину колодцев и должна быть оттуда удалена. Существуют два метода удаления окалины или, как говорят, два метода шлакоудаления: сухое шлакоудаление и жидкое.

При сухом шлакоудалении на подину колодца насыпа­ется мелкий коксик, который впитывает окалину и через 5 – 6 всадов вместе с ней уда­ляется через специальные лючки. Затем сверху при открытой крышке засыпается и разравнивается новая порция коксика.

Вслед за этим металл на­гревают вновь.

При жидком шлакоудале­нии коксик на поду отсутству­ет; подину выполняют из огне­упорных материалов, не взаи­модействующих с окалиной (обычно хромомагнезит) ; окалина в жидком состоянии уда­ляется с пода ячейки через специальную летку.

Каждому из этих методов присущи область применения, свои недостатки и преимущества.

Недостатки сухого шлакоудаления:

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 кокса и плохое санитарное состояние цеха (при засыпке коксика поднимается туча пыли);

4) крайне отрицательное влияние коксовой пыли 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 и оно также не лишено недостатка, заключающегося в том, что при жидком шлакоудалении неравномерно изнашивается поди­на колодца, и слитки теряют устойчивость.

Футеровка и ее служба. В нагревательных колодцах наиболее уязвимы следующие части огнеупорной футе­ровки:

1) подина и нижняя часть стен, поскольку они интенсив­но соприкасаются с окалиной и слитками;

2) те пояса футеровки стен, на которые опираются слитки;

3) футеровка крышки, так как она подвержена действию наиболее высоких температур, колебанию температур и механическому воздействию в связи с частым открыванием и закрыванием крышки;

4) керамика регенераторов и рекуператоров (особенно верхние ряды), которая работает в тяжелых условиях высо­ких температур, резкой смены температуры, воздействия газовых потоков, несущих окалину и пыль.

Подину колодцев выкладывают обычно в три слоя: 1) внутренний из хромомагнезитового кирпича; 2) шамот­ный кирпич; 3) внешний теплоизоляционный слой из диатомитового кирпича. При сухом шлакоудалении уровень подины по всей площади колодцев одинаков, при жидком подину выкладывают с уклоном в сторону шлаковой летки.

Стены колодцев также выполняют трехслойными. Внеш­ний слой — теплоизоляционный, затем слой шамотного кир­пича. Внутренний слой в нижней части стен (приблизитель­но на 1 м высоты) выполняют из хромомагнезита, остальное из динаса. Интенсивнее всего стены изнашиваются на том уровне, где опираются слитки. В связи с этим в этом мес­те выполняют выступ кладки внутрь колодца. Эти выступы выкладывают из динаса, хромомагнезита, каолинового кирпича. Стойкость выступов из динаса наименьшая.

В настоящее время применяют крышки как с арочной футеровкой, так и с подвесным сводом. И в том, и в другом случае можно применять шамотный кирпич. В последнее время для футеровки крышек все шире используют каолиновый кирпич. Каолиновый кирпич в футеровке крышек значительно более стоек, поскольку обладает большой огне­упорностью и меньшей дополнительной усадкой.

Керамические рекуператоры, применяемые в нагрева­тельных колодцах, выполняют из восьмигранных трубок. Обычно монтируют 6 – 8 рядов труб, из них два верхних и нижний ряды из карбо-шамотных трубок, остальное — из шамотных.

В рекуператорах насадку следует сменять раз за 1,2 – 2 года.

Смена футеровки крышек осуществляется через 7 – 9 мес. В отдельных случаях, чаще всего в регенеративных колодцах, быстро сгорает металлическая рама крышек.

Конструкции колодцев

Нагревательные колодцы бывают с регенеративным и с рекуперативным подогревом воздуха. Регенеративные ко­лодцы — это устарелые конструкции, которые нигде уже не строятся. Поэтому рассмотрим конструкции наиболее распространенных рекуперативных нагревательных колодцев.

Колодцы с отоплением из центра пода. Такие колодцы (рис. 123) применяют для нагрева слитков перед прокат­кой на блюминге производительностью около 2,5 млн. т/год. Они достаточно надежны в эксплуатации, отаплива­ют их смешанным коксо-доменным газом с теплотой сгора­ния 5800 – 8400 кДж/м³ при помощи горелок, расположен­ных в центре пода. Группа состоит из двух ячеек. В каждую ячейку помещается по 12 – 16 слитков квадратного сече­ния.

Колодцы оборудованы керамическими рекуператорами из восьмигранных карбо-шамотных трубок для подогрева воздуха до 800 – 850°С. Воздух, пройдя через рекуперато­ры, поступает к горелке с двух сторон по сборным каналам. Газ подается в горелку по специальной трубе снизу вверх, поэтому факел тоже направлен снизу вверх. Продукты сго­рания удаляются из рабочего пространства через специаль­ные окна и, пройдя через рекуператор, уходят в дымовую трубу. Рекуперативные колодцы с отоплением из центра пода в настоящее время работают на 90 – 95% горячего посада, обеспечивая при этом производительность одной группы около 220 – 270 тыс. т/год. Удельный расход тепла на нагрев металла составляет 1100 – 1200 кДж/кг. Процесс нагрева металла в этих колодцах можно автоматизировать. Импульсную точку 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 21,0 – 29,0 ГДж/ч.

Качество металла в рекуперативных колодцах с отопле­нием из центра пода 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. Перепад температур по высоте рабо­чего пространства достигает 100°С и более, что вызывает неравномерность нагрева слитка. Однако положительным является то, что все слитки, входящие в садку, греются почти одинаково.

Общая площадь рекуператора нагревательных колод­цев составляет около 400 м². В рекуператоре шесть рядов труб. Два нижних и два верхних ряда — из карбошамотных трубок, средние ряда — из шамотных.

Рекуператоры работают при температуре дымовых га­зов на входе 1200 – 1250°С; скорости воздуха 1,5 дымовых газов 0,7 – 1,0 м/с.

Воздух в рекуператор поступает обычно под давлением, в результате чего между воздушной и дымовой сторонами рекуператора возникает значительный перепад давлений (до 200 Па), в результате чего создается возможность для утечки воздуха в дымовые каналы. Утечка иногда достигает 40 – 50% всего воздуха, поданного в рекуператор. Низкая герметичность рекуператоров сильно влияет на работу колодцев, так как в результате утечек количество воздуха, достигшего горелки, становится недостаточным и, что очень важно, неопределенным. При недостатке воздуха топливо не сгорает полностью в пределах рабочего пространства и поэтому становится возможным его дожигание в рекупера­торе, что вызывает разрушение рекуператора и дальнейшее увеличение утечек.

При уменьшении количества воздуха, попадающего в ячейку, приходится сокращать количество подаваемого топ­лива, т.е. снижать тепловую нагрузку, а это в свою очередь приводит к снижению производительности.

Ненадежная (в смысле герметичности) работа рекупе­раторов наряду с высокой стоимостью сооружения являет­ся, пожалуй, самым большим недостатком этих нагрева­тельных колодцев.

Колодцы с отоплением из центра пода работают в основ­ном на жидком шлакоудалении, которое позволяет увели­чить производительность ячейки и сократить расход топли­ва. Однако при жидком шлакоудалении резко возрастает число ремонтов, а следовательно, и удельный расход огне­упоров. Колодцы при жидком шлакоудалении работают бо­лее форсированно, что увеличивает толщину окалины и воз­можность оплавления слитков.

Колодцы с верхним отоплением. В последние годы стро­ят колодцы с одной верхней горелкой, что объясняется уве­личением производительности строящихся блюмингов до 6 млн. т/год и более. Повышением производительности блю­мингов обусловлены новые требования, предъявляемые к нагревательным колодцам, которые в определенной мере реализуются применением колодцев с одной верхней горел­кой. Конструкция колодцев представлена на рис. 124. Ко­лодец вытянутой формы шириной 2,2 – 2,5 м. В ячейку по­мещают в два ряда 14 слитков массой по 7 – 8 т. Каждая группа колодцев включает чаще всего 2 или 4 ячейки. Теп­ловую нагрузку в этих колодцах поддерживают около 38 – 42 ГВт; удельный расход тепла составляет 1300 – 1350 кДж/кг. Поскольку на поду подобных колодцев температура относительно низкая, применяют сухое шлакоудаление.

Производительность колодцев подобного типа на группу из двух ячеек несколько меньше (200 – 220 тыс. т/год), чем колодцев с отоплением из центра пода. Это объясняется особенностями их тепловой работы.

Колодец отапливают газообразным топливом при раз­личной степени подогрева воздуха. Выходные скорости в горелке должны быть подобраны так, чтобы кинетической энергии струй было достаточно для проталкивания газов от горелки до дымоотборного окна по петлеобразной траекто­рии. Плохое смешение топлива и воздуха приводит к тому, что наибольшая температура развивается около стены, про­тивоположной горелке; на этой стене и выбирают импульс­ную точку для автоматизации теплового режима. Причем, раньше других нагреваются слитки, находящиеся около этой стены.

Когда температура в импульсной точке достигает задан­ного значения, то во избежание ее дальнейшего повышения расход топлива снижается и кинетическая энергия струй топлива и воздуха уменьшается. Это приводит к тому, что газы уже не достигают противоположной стенки и двигают­ся по прогрессивно укорачивающейся петле.

Таким образом, процесс нагревания садки протекает неравномерно, затягивается, поэтому производительность группы, состоящей из двух ячеек таких колодцев, 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.

На нагревательных колодцах с одной верхней горелкой применяются керамические воздушные рекуператоры, при использовании которых возможны два способа подачи воз­духа: при первом, для подвода воздуха от рекуператора к горелке применяют эксгаустер из жароупорного материала. Воздух просасывается через рекуператор, и возможность утечки практически устраняется. Однако, в этом случае температура подогрева воздуха ограничивается 400 – 450°С, так как при более высокой температуре существую­щие эксгаустеры работать не могут.

Второй способ предусматривает подачу воздуха из реку­ператора к горелке при помощи инжектора. Инжектирую­щей средой служит воздух высокого давления (20 – 40 кПа), количество которого составляет 25 – 30% общего расхода и который подогревается в металлическом трубча­том рекуператоре до 250 – 350°С. В этом случае темпера­тура воздуха перед горелкой составляет 650 – 700°С. Если для инжектирования применять компрессорный воздух (5 – 7% общего расхода), то температура воздуха перед горелкой составит 700 – 800°С.

Сравнение различных нагревательных колодцев по экс­плуатационным показателям приведено в табл. 19.