Движение газов и материала в методических печах выполнено по схеме

Обновлено: 25.05.2024

При нагреве металла под обработку давлением в большинстве случаев применяют проходные нагревательные печи. Эти печи обычно называют методическими печами, так как в них осуществляется методический режим нагрева и обязательно имеется методическая зона предварительного нагрева металла. Методические печи являются печами непрерывного действия с преимущественно противоточным движением нагреваемого металла и продуктов сгорания в рабочем пространстве. В этих печах нагревают заготовки (слябы, блюмы, круглые и фигурные изделия и т. д.) толщиной от 60 до 400 мм, шириной от 60 до 2000 мм и длиной от 0,8 до 12 мм, масса которых составляет от 50 кг до 40 т. В некоторых случаях на старых станах в методических печах нагревают слитки толщиной 300-400 мм. В дальнейшем нагреваемые в методических печах изделия будем называть заготовками. Методические печи классифицируют по количеству зон отопления, по виду нагрева, по системе отопления, по системе загрузки и выдачи заготовок (торцевая, боковая), по способу утилизации тепла уходящих из рабочего пространства печи продуктов сгорания (рекуперативные, регенеративные).

Цель курсового проекта: выполнить расчет многозонной методической печи с шагающим балками стана РБЦ АО ЕВРАЗ ЗСМК

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

рассчитать горение газообразного топлива и теплообмен излучением в рабочем пространстве печи;

рассчитать время нагрева заготовки заданных размеров в методической, сварочной и томильной зонах;

рассчитать тепловой баланс многозонной методической печи с целью определения удельного расхода топлива.

Общая часть

Описание печи и управление процессом нагрева заготовок.

Тип – нагревательная, методическая с верхним и нижним отоплением и шагающими балками, предназначенная для нагрева заготовок перед прокаткой.

Металл загружается в печь и выгружается из нее с помощью машины безударной посадки и выдачи заготовок. На стороне загрузки и выгрузки металла из печи установлены рольганги с десятью роликами на каждой стороне. Центровка блюмов при посаде в печь производится в соответствии со схемой загрузки с помощью лазерных приборов и фотоэлементов. Движение шагающих балок, подъем безударных машин, загрузочных и разгрузочной заслонок выполняется с помощью гидравлических систем, а перемещение машин, электромеханической системой.

Окалина, падающая через отверстия в топке, проталкивается лопастями к загрузочному концу печи и выгружается в контейнер под печью

Печь разделена на десять зон регулирования температуры.

Для осмотра внутренней части печи на стороне загрузки и на стороне выгрузки установлены две телевизионные камеры в комплекте с черно-белыми промышленными мониторами.

Система управления печью относится ко второму уровню, включает в себя первый уровень (систему управления горением и транспортировкой металла), а так же система оптимизации нагрева, что позволяет рассчитывать температурные уставки, поддерживать температуры на заданном уровне в зависимости от темпа работы печи. Для этой цели используются компьютер второго уровня.

Система управления горением и транспортировкой металла выполнена на базе специализированного контроллера SIEMENSSIMATIKS7. Программируемый контроллер соединен с двумя персональными компьютерами (ПЛК), один из которых находится на посту управления выдачи металла, другой (резервный) находится на посту загрузки. С помощью клавиатуры можно вызвать на экран монитора необходимые страницы и выполнять следующие функции:

вызывать на экран мнемометрические схемы (тренды), таблицы ситуаций и значения параметров работы;

задавать необходимые параметры работы печи;

производить распечатку данных;

выводить на экран предупреждение.

при помощи HMI (человеко-машинный интерфейс) можно выбрать один из следующих режимов работы печи:

компьютерный – второй уровень (при переключении в данный режим все зоны получают уставку от компьютера второго уровня);

автоматический (вводится уставка для каждой зоны печи и система автоматически поддерживает заданное значение. Регуляторы температуры работают от системы управления первого уровня. Заданные значения температур устанавливаются с HMI первого уровня. Система управления второго уровня может быть полностью бездействующей или выполнять функции в параллельных операциях);




ручной (можно менять выход температурного регулятора при условии, что регуляторы температуры находятся в автоматическом режиме. Система управления второго уровня может быть полностью бездействующей или выполнять функции в параллельных операциях);

понижающий (обеспечивается изменение уставки температуры в зонах с текущих значений на предварительно заданные при условии, что температурный режим печи не управляется компьютером второго уровня. При этом система управления второго уровня может выполнять функции в параллельных операциях).

Последние три режима используются, когда не работает компьютерный режим

Печь по управлению тепловым режимом разделена на десять зон отопления:

1 ая зона – верхняя подогрева;

2 ая зона – нижняя подогрева;

3 ая зона – верхняя нагрева 1;

4 ая зона – нижняя нагрева 1;

5 ая зона – верхняя нагрева 2;

6 ая зона – нижняя нагрева 2;

7 ая зона – верхняя выдержки справа;

8 ая зона – верхняя выдержки слева;

9 ая зона – нижняя выдержки справа;

10 ая зона – нижняя выдержки слева.

Тепловой и температурный режим методических печей.

Основным процессом, протекающим в рабочем пространстве печи, является теплообмен, связанный с сжиганием топлива и движением газа. По отношению нагреваемому металлу процесс теплообмена в рабочем пространстве печи делится на внешний и внутренний. При внешнем теплообмене тепло передается от продуктов горения топлива и кладки печи к поверхности нагреваемого металла. В методических печах внешний теплообмен осуществляется главным образом путем излучения.

При внутреннем теплообмене тепло распространяется внутри нагреваемого металла. Условия внешнего и внутреннего теплообмена определяются температурным и тепловым режимом печи.

Температура в методических печах изменяется по длине печи. Характер изменения температуры по длине печи определяется количеством и назначением зон печи

Первая(по ходу металла) зона изменяющейся по длине температур называется методической зоной.в ней металл во избежание возникновения чрезмерных термических напряжений постепенно подогревается до поступления в зону высоких температур.

Вторая (по ходу металла) зона называется высоких температур или сварочной зоной. Назначение ее быстрый нагрев поверхности заготовки до конечной температуры.

Третья (по ходу металла) томильная зона (зона выдержки) служит для выравнивания температуры по сечению металла.

Температурный режим печей зависит от характера отопления печей, распределения горелок и дымоотводов. Наиболее часто применяют комбинированное расположение горелок: торцовое и боковое или боковое и свободное.

При свободном отоплении заготовки нагреваются достаточно равномерно, поэтому целесообразным является такой метод отопления, когда нижний обогрев оборудования боковым горелкам, а в зонах верхнего обогрева используются свободные горелки. Продукты сгорания топлива отводят на стороне загрузки металла и печи с шагающим подом работают обычно с переменной температурой по длине. Печи с шагающим подом выполняют без нижнего обогрева и с нижним обогревом.

ДВИЖЕНИЕ ГАЗОВ И МАТЕРИАЛОВ В ПЕЧАХ

Движение газов может быть принудительным, вызванным действием вентиляторов, струйных аппаратов, и естественным — за счет разности плотностей движущихся газов. По характеру различают ламинарное и турбулентное движение. В рабочем пространстве печей газы чаще всего движутся струями в среде менее подвижных и застойных газов (струйное движение). В каналах печей газы движутся сплошными потоками (канальное движение). Газы в топках и печах часто пронизывают слой кускового или сыпучего материала и оказывают давление на кусочки материала (фильтрационное движение); такое движение газов может иметь место в плотном слое материала, в кипящем слое, во взвешенном слое. Иногда газы, несущие взвесь материала, искусственно закручивают в круглых каналах — тогда имеет место циклонное движение.

Естественное и вынужденное движение газов . Ламинарный и турбулентный характер движения.

В печах газы иногда движутся с малыми скоростями, и тогда при наличии значительных свободных объемов и больших разностей температур в различных точках этих объемов движение газов может быть естественным, однако в настоящее время большинство печей работает с принудительным движением газов. При принудительном движении газов картина их движения в рабочем пространстве печи или распределение давлений в нем при сложных конструкциях печей не могут быть определены теоретически, и поэтому прибегают к опытному изучению характера движения на моделях печей, обычно очень легко изготовляемых. Метод моделирования, развитый в нашей стране М. В. Кирпичевым и его сотрудниками, является весьма ценным вкладом в печную теплотехнику, так как позволяет проверить целесообразность конструкции до ее постройки.

Рис. 2-1. Профиль скоростей при ламинарном (а) и турбулентном (б) движении газового потока

Движение газов в печных каналах и полостях, вообще говоря, может идти несмешивающимися струями по траекториям, подобным форме канала; такое движение называется ламинарным . Это соответствует значению критерия Рейнольдса Re2300 инерционные силы в потоке превалируют над силами трения настолько, что в потоке образуется множество возбужденных пересекающихся струек: масса переносится главным образом путем вихревой диффузии, а теплота - посредством конвекции. Скорость в каждой точке изменяется по величине и направлению. Такое движение называется турбулентным . При постоянном расходе газа через какое-либо сечение средняя скорость турбулентного движения в данной точке остается постоянной по величине и направлена в сторону движения. На рис. 2-1 показано значение вектора мгновенной скорости w в данной точке, являющейся геометрической суммой средней скорости w (постоянной по величине и направлению) и пульсационной скорости w' , изменяющейся по величине и направлению:

Благодаря пульсационной скорости и происходит энергичный тепло- и массообмен в потоке. Если эпюра скоростей по сечению канала при ламинарном, движении изображается параболой (рис. 2-1,а), для которой отношение средней скорости по всему сечению к максимальной скорости по оси w 0 будет w ср /w 0 ~0.5 , то при турбулентном движении из-за выравнивающего действия пульсационных скоростей отношение w ср /w 0 = 0,75-0,84 (рис. 2-1,б). Состояние турбулентного потока характеризуется степенью турбулизации ε турб и масштабом турбулентности l турб . Степень турбулизации может быть различной, что существенно влияет на характер движения. Степень турбулизации выражается отношением среднеквадратичной пульсационной скорости в потоке к средней скорости потока:

где w' — пульсационная скорость; w ср — средняя скорость потока.

Масштабом турбулентности l турб называется расстояние, на котором проявляется связь между пульсациями, или, иначе, расстояние, на котором пульсирующие объемы газа теряют свои скоростные особенности.

В современных печах в качестве источника тепловой энергии в подавляющем большинстве случаев используется топливо или электрическая энергия. Среди топливных печей наибольшее распространение получили пламенные печи, в которых для сжигания газа или мазута применяется факельный (пламенный) метод. В пламенных печах характер движения газов в рабочем пространстве печи теснейшим образом связан с теплообменом, конструкцией и назначением печи. Он определяется в основном следующими обстоятельствами: расположением горелок (форсунок) и дымоотводящих каналов; динамическим воздействием струй, создаваемых горелками и форсунками; режимом давления в печи.

Наивысшая температура в печи развивается в том месте, где сжигается топливо, т. е. там, где установлены горелки (форсунки). Сжигание топлива в печи может быть сконцентрировано с одной стороны печи или рассредоточено по всей ее длине. Расположив соответствующим образом дымоотводящие каналы, получают методический или камерный режим работы печи. При методическом режиме (рис. 16, а) топливо сжигается с одной стороны печи (горелки установлены в торце выдачи металла), а дымовые газы удаляются с другой стороны печи. Продукты сгорания, проходя по печи навстречу металлу, постепенно отдают ему часть своего тепла, а сами остывают. При этом температура газов уменьшается по мере удаления их от горелок, и температурный режим печи характеризуется изменением (падением) температуры по длине печи.

При камерном режиме работы нагревательной печи температура по ее длине остается практически постоянной. Для этого подвод тепла и дымоотводящие каналы надо рассредоточить по длине (рис. 16,6). В этом случае горелки устанавливаются по всей длине печи. Перемешивание отдельных струй, интенсивное движение газов — все это способствует выравниванию температуры в рабочем объеме печи.

В обеспечении равномерности нагрева важная роль принадлежит интенсивности движения газа, его циркуляции. Это особенно важно в средне- и низкотемпературных печах. В высокотемпературных печах (1473—1873 К) преобладает теплообмен излучением, в среднетемпературных (1073— 1473 К) излучение соизмеримо с конвекцией, в низкотем-пературных (до 1073 К) преобладает конвекция. Поскольку теплопередача конвекцией тем больше, чем выше скорость движения газов, постольку интенсификация движения газов в печах последних двух групп имеет важное значение. Для обеспечения циркуляции газов используют способность газовых струй создавать разрежение у своих истоков. С ис­пользованием этой особенности работают, в частности, тер­мические печи с подподовыми топками (рис. 17). Струя, создаваемая горелкой, подсасывает продукты сгорания из рабочего объема и создает тем самым циркуляцию газов.

В некоторых случаях при светлой термообработке и тер­мохимической обработке металла необходима интенсивная циркуляция специальной атмосферы, в которой нагревается металл. Подобная циркуляция обеспечивается применением специальных вентиляторов, рабочее колесо которых вынесено непосредственно в печь. Интенсивная циркуляция специальной атмосферы повышает равномерность и скорость нагрева и обеспечивает значительное увеличение производительности печи.

Однако в некоторых печах соответствующее движение газов обеспечивает не только теплотехнические, но и чисто технологические цели. Примером может служить мартеновская печь, для работы которой большое значение имеет настильность (касание поверхности ванны) факела. При настильности интенсифицируется конвективный теплообмен и сопутствующий ему массообмен между факелом и ванной.

Для нормальной эксплуатации печи скорость выхода топлива и воздуха из горелки должна выбираться на основании данных по струям и быть такой, чтобы пламя не било в противоположную стенку. Горелки на противоположных стенках должны быть установлены в шахматном порядке. Не следует устанавливать горелки вблизи окон печи во избежание подсоса в печь холодного воздуха. В некоторых случаях, например в торцах выдачи методических печей (рис. 23, а), подсос холодного воздуха в печь через окно выдачи (пунктирная стрелка) не только снижает температуру печи и вызывает перерасход топлива, но и приводит к образованию настылей окалины на поду печи, что вызывает перебои в ее работе.




Давление в рабочем пространстве печи определяется в основном двумя факторами: воздействием струй и влиянием дымовой трубы (дымососа). Рациональным режимом давления в рабочем пространстве печей является такой, при котором в печи поддерживается небольшое избыточное дав­ление. Это относится как к топливным, так и к электрическим печам. Если печи работают с муфелированием металла, то под муфелем также поддерживается небольшое избыточное давление. Все это делается для того, чтобы избежать попадания в печь холодного воздуха, который резко ухудшает работу печи, так как, снижая температуру, вызывает перерасход топлива, приводит в нагревательных печах к излишнему окислению металла.

Работа дымовой трубы осуществляется так, чтобы на уровне пода печи поддерживалось нулевое давление. Выше уровня пода будет избыточное давление, ниже — разрежение. Разрежение нужно для того, чтобы дымовые газы отсасывались из печи через дымоотводы (борова), входное сечение которых обычно и располагается на уровне пода печи.

В процессе эксплуатации печи необходимо иметь возможность влиять на давление в печи и на разрежение в ее боровах. Для этой цели используют специальное устройство, называемое шибером. Шибер представляет собой искусственное местное сопротивление, величину которого можно регулировать подъемом или опусканием шиберной заслонки. При стремлении понизить давление в печи шибер надо открывать, при желании повысить давление, наоборот, прикрывать.

Современные печи — это высокомеханизированные, автоматизированные агрегаты. Во многих печах давление в рабочем пространстве поддерживается на нужном уровне автоматически при помощи регулятора давления, который управляет механизмом подъема и опускания шибера.

Правильный выбор режима давления в печи необходим, кроме того, как для увеличения долговечности службы арматуры и оборудования печи, так и для улучшения условий эксплуатации печи обслуживающим персоналом.

Иногда, стремясь избежать подсоса холодного воздуха в печь, поддерживают излишне высокое давление. Это приводит к чрезмерному выбиванию раскаленных газов из печи и, как следствие, к преждевременному выходу из строя арматуры печи и элементов ее оборудования.

Методическая печь – проходная печь для нагрева металлических заготовок перед обработкой давлением (прокатка, ковка, штамповка). В свою очередь проходной печью называется печь непрерывного действия, в которой нагреваемые заготовки движутся вдоль печи, перемещаемые толкателем, рольгангом или другими механизмами. Загрузка и выгрузка проходной печи производятся через окна в торцовых стенах печи или в боковых стенках вблизи торцов.

В методической печи заготовки обычно передвигаются навстречу движению продуктов сгорания топлива; при таком противоточном движении достигается высокая степень использования теплоты, подаваемой в печь. Хотя встречаются прямоточные и прямопротивоточные печи. Заготовки проходят последовательно три теплотехнические зоны: методическую (зону предварительного подогрева), сварочную (зону нагрева) и томильную (зону выравнивания температур в заготовке). Иногда томильная зона может отсутствовать.

Методические печи классифицируют: а) по числу зон отопления в сварочной зоне плюс методическая зона, и, если есть, томильная зона (2-, 3-, 4-, 5-зонные); б) по способу транспортирования заготовок (толкательные, с подвижными балками и др.); в) по конструктивным особенностям (с нижним обогревом, с наклонным подом, с плоским сводом и т.д.).

Методические печи отапливают газообразным или жидким топливом с помощью горелок или форсунок.

Стандартные режимы нагрева металла в двухзонных, трёхзонных и многозонных методических печах приведены на рис. 9.6. Можно отметить, что, в отличие от нагрева металла в колодцах, тепловой поток на поверхность металла в начальный период нагрева (методическая зона) нарастает. Одновременно температура поверхности сначала резко увеличивается (скорость нагрева максимальная), а затем повышается медленнее (скорость нагрева падает) с постепенным увеличением скорости к концу методической зоны.

Преимущество многозонных печей перед двухзонными: гибкость в регулировке режима нагрева и, соответственно, меньший расход топлива при высоком качестве нагрева металла. Недостаток: усложнение конструкции системы отопления.

а ‑ 2-зонная печь; б ‑ 3-зонная печь; в ‑ многозонная печь; tг ‑ температура дыма; tух ‑ температура уходящего дыма; t0 ‑ начальная температура металла; tп ‑ температура поверхности металла; tс ‑ температура середины металла; qп ‑ плотность теплового потока на поверхности металла

Рис. 9.6 – Режимы нагрева заготовок в зависимости от числа зон методической печи (L ‑ длина печи)

Под качеством нагрева понимается: точность получения заданных температур в конце нагрева, величина окисления и обезуглероживания по­верхности заготовок, точность сохранения формы заготовок после воздействия термических напряжений. Ориентировочные значения отдельных показателей качества: температура нагрева заготовок в методических печах – 1100‑1250 °С; перепад температуры в конце нагрева – 400‑1000 °С/метр толщины заготовки; количество окислившегося металла – 0,5‑2 %; толщина обезуглероженного слоя – 0,5‑1,5 мм.

В дальнейшем изложении мы будем различать печи по способу транспортирования и рассмотрим следующие печи: толкательную печь, печь с шагающим подом, кольцевую печь, печь с шагающими балками и секционную печь. Мы не выделяем секционную печь в отдельную группу методически-камерных печей, как иногда делается в литературе, а относим к методическим печам, т.к. по своей сути секционная печь в первую очередь все-таки проходная печь и подходит под общее определение методических печей.

Материальный и тепловой балансы методических печей во многом схожи по своей структуре, – отличия связаны с числовыми показателями. Ориентировочные балансы приведены в табл. 9.3 и 9.4. В качестве основы в этих балансах взята толкательная печь.

Таблица 9.3 – Ориентировочный материальный баланс процессов в рабочем

пространстве методической печи (кг/кг нагретого металла)

Приход На 1 кг металла Расход На 1 кг металла
1. Загружаемый металл 1,015 1. Нагретый металл 1,000
2. Воздух для горения топлива 0,814 2. Продукты горения, в т.ч. – продукты горения топлива ‑ 1,031; – азот воздуха от окисления железа ‑ 0,018; 1,049
3. Топливо (коксодоменная смесь) 0,217 3. Окалина 0,021
4. Воздух для окисления железа 0,024
Итого 2,070 Итого 2,070

Методические печи характеризуются наличием нескольких зон по длине печи. Так как тепловой баланс обычно составляется для определения расхода топлива и выбора горелок, то тепловой баланс методических печей часто приходится составлять для отдельных зон. В частности, для секционных печей, включающих 20 и более секций, тепловой баланс может быть составлен для каждой секции.


Продукты сгорания движутся в печи навстречу движению металла, отдавая ему значительную часть тепла. Из методической зоны они поступают в рекуператор, где нагревают воздух, подаваемый в зоны для горения.

Далее продукты сгорания в методических печах подаются в котлы-утилизаторы, где часть их тепла используется для выработки пара, после чего они отводятся в дымовую трубу.

4. Основные контролируемые параметры

- Температура в зонах (узлы 2, 5, 6)

- Температура дыма в борове после печи, до и после рекуператора (узел 11, 15)

- Температура нагретого воздуха (узел 8)

- Температура топлива (газа)

- Расход газ-воздух на зоны (узлы 1, 12, 4,7)

- Давление газа, воздуха, подаваемых на печь (узлы 13 и 14)

- Разрежение в борове в нескольких точках дымового тракта и перед трубой (узел 16)

5. Основные регулируемые параметры

- температуры в зоне (узел 2)

- соотношения расходов топливо-воздух на зону (узлы 1,4,7)

- оптимизации горения топлива в зоне,

- давления в рабочем пространстве (узел 10)

- темп выдачи заготовок из печи (узел 3)

- коррекция заданий температуры зональным регулятором (узел 9)

6. Нагревательные колодцы – печи садочного типа периодического действия, устанавливаемых перед обжимными станами (блюмингами и слябингами) и предназначены для нагрева мартеновских и конвертерных слитков перед прокаткой.

Основная задача– бесперебойное снабжение отделения прокати нагретыми слитками.

Задача управления процессом нагрева металла в нагрневательных колодцах заключается в выборе и обеспечении режима работы, необходимого для получения металла с заданной температурой поверхности с минимально допустимым перепадом температур по сечению слитка.

7. Рисунок 2 –

Схема устройства нагревательного колодца


Рабочее пространство нагревательных колодцев с отоплением из центра подины имеет форму, близкую к квадрату .


С двух сторон к рабочему пространству 1 примыкают камеры керамического рекуператора 6 для подогрева воздуха. Колодец отапливается одной горелкой 4, расположенной в центре пода и направленной вверх. Пламя горелки достигает крышки колодца 2, ударяется о ее поверхность и растекается в стороны. Затем продукты сгорания топлива поворачивают вниз и направляются к дымовым клапанам 5 для их отвода, омывая стены колодца и установленные около стен слитки. Через проемы для отвода продуктов сгорания газы попадают в рекуператоры, а из них в борова и дымовую трубу.

8. Рисунок 3 –

Контролируемые и регулируемые параметры нагревательного колодца

Читайте также: