Лекция 11

План лекции:

Конструкції та теплові режими печей.

Термічні печі. Характерні режими термообробки. Термічні печі камерного типу. Піч з викатним подом. Піч з нерухомим подом. Ковпакова піч. Приблизні матеріальні і теплові баланси термічних печей камерного типу. Заходи щодо скорочення витрати палива в термічних камерних печах.

9.5  Термические печи. Характерные режимы термообработки

Термическая печь – печь для термической обработки металлических изделий. Термические печи классифицируются по технологическим признакам и назначению (закалочные, отжигательные, цементационные и др.), по способу нагрева (электрические, пламенные, косвенного нагрева), по среде рабочего пространства (воздух, газовая контролируемая среда, жидкая среда), по конструкции (камерные, колпаковые, ванные и т.д.), по режиму работы (периодического и непрерывного действия).

В процессе термической обработки повышается качество изделий или сообщаются дополнительные свойства, что обеспечивает сокращение расхода металла в процессе эксплуатации. Термической обработке подвергаются все виды горячекатаного и холоднокатаного проката: лист, уголок, проволока, рельс, труба, швеллер, лента и др.

Виды термической обработки:

1) сортовой прокат – полный и изотермический отжиг, нормализация, закалка (патентирование);

2) горячекатаный лист: а) нормализация или закалка с последующим отпуском; б) отжиг или высокий отпуск;

3) рельсы – нормализация, изотермическая выдержка, отпуск;

Рекомендуемые материалы

4) холоднокатаный лист и лента – рекристаллизационный отжиг.

Все виды термообработки можно разделить на две большие группы:

1) простой нагрев до определённой температуры с последующей выдачей на воздух (нормализация) или в жидкие среды (закалка). Пример режима – на рис. 9.13а;

2) нагрев до определённой температуры с последующей длительной изотермической выдержкой и, в завершение, регламентированным охлаждением или охлаждением вместе с печью (отжиг). Пример режима – на рис. 9.13б.

Для нагрева под нормализацию и закалку применяют нагревательные проходные печи всех типов, описанных ранее. Кроме этих печей применяют специализированные проходные и камерные печи, предназначенные для термической обработки конкретных видов продукции.

Для нагрева под отжиг применяют камерные печи и для отдельных видов продукции – протяжные печи непрерывного действия (отжиг ленты, полосы, проволоки).

Рис. 9.13 – Характерные режимы термообработки в термических печах:

а ‑ закалка (индекс "з") и нормализация (индекс "н") в проходной печи; б ‑ отжиг в камерной печи;

t_г ‑ температура дыма; t₀ ‑ начальная температура металла; t_п ‑ температура поверхности металла; t_с ‑ температура середины металла; q_пt ‑ плотность теплового потока на поверхности металла в процессе нагрева

Специализированная на термической обработке печь должна обеспечивать заданный технологией температурно-временной режим обработки изделия и высокую равномерность нагрева изделия. Обычные нагревательные печи не всегда в состоянии обеспечить необходимую в термообработке равномерность и точность нагрева. Так, при нагреве слитков под обработку давлением удельный перепад температуры в конце нагрева должен быть не более 100-300 °С на 1 метр толщины, а при нагреве заготовок – не более 1000 °С на 1 метр толщины. Как при нагреве слитков, так и заготовок абсолютное значение перепада температуры составляет 50-70 °С. При термической же обработке металлопродукции перепад температуры по сечению в конце режима термообработки чаще всего должен вообще отсутствовать или составлять не более 5‑10 °С. Когда говорят о перепадах температур, то в термических печах подразумевают перепад не по сечению, а по объему садки металла. Фактически – это разброс температуры по объему садки. Его величина обычно составляет 5‑10 °С, в то время как в нагревательных печах разброс температур может быть 80‑100 °С и больше. Поэтому и говорят, что при термообработке очень жесткие требования по равномерности нагрева.

В качестве примера рассмотрим самые распространённые пламенные термические печи из всего многообразия пламенных и электрических печей. Особенность пламенных печей – они отапливаются газом. Мазут и твёрдое топливо практически не используются.

Составление материального и теплового балансов термических печей имеет особенность, связанную с почти полным отсутствием окисления металла в процессе нагрева из-за малого уровня температур. Фактически материальный баланс можно свести к материальному балансу горения топлива, рассчитанному или на 1 кг топлива, или на 1 м³ топлива, или на 1 Дж химической энергии топлива. Ориентировочный материальный баланс термической печи приведен в табл. 9.5.

Таблица 9.5 – Ориентировочный материальный баланс процессов в рабочем пространстве термической печи (кг/м³ топлива и кг/МДж топлива)

Тепловые балансы термических печей похожи на балансы соответствующих нагревательных печей, хотя существуют некоторые особенности, которые будут даны при рассмотрении этих печей.

9.6  Термические печи камерного типа

Камерная печь – печь с близкими по значению длиной, шириной и высотой рабочего пространства и с одинаковой во всех его точках температурой, предназначенная для нагрева или термической обработки материалов. Типичный представитель камерной печи для нагрева – нагревательный колодец. Из термических камерных печей известны камерные печи с выдвижным (выкатным) подом, камерные печи с неподвижным подом (с внешней механизацией) и колпаковые печи. Одно из основных отличий режимов нагрева и режимов термообработки в близких по конструкции печах состоит в том, что в термических печах часто реализуется режим: при заданном законе изменения температуры поверхности металла. Такой режим выдержать на практике гораздо труднее, т.к. он предполагает постоянную корректировку температуры печной атмосферы во времени.

Преимущество камерных печей – их универсальность в создании разнообразных температурно-временных условий. Недостатки: 1) большие потери теплоты на аккумуляцию кладкой при периодических загрузках – выгрузках металла; 2) печи не отвечают требованиям поточного производства.

Поэтому камерные печи применяются там, где нельзя использовать проходные печи, например, при сложных режимах термообработки, типа отжига.

Следует отметить особенности работы горелок в камерных термических печах.

Во-первых, в рабочем пространстве наблюдаются низкие рабочие температуры, находящиеся на уровне температуры воспламенения топлива и ниже. Поэтому для обеспечения стабильной работы горелок их надо оснащать запальниками (чаще электрическими).

Во-вторых, в камерной термической печи сильно изменяется (в 10-20 и более раз) тепловая мощность и, соответственно, расход топлива. В период нагрева мощность максимальна, а в период выдержки может упасть почти до нуля. Стандартные же горелки нагревательных печей допускают регулирование расхода газа в диапазоне 1:4. Поэтому на камерных термических печах должны устанавливаться специальные горелки с широким диапазоном регулирования (1:10, 1:20 и выше).

В-третьих, в камерных термических печах, как правило, недопустима работа горелок непосредственно в рабочем пространстве, т.к. это вызывает неравномерность нагрева садки от факела. Поэтому горелки устанавливают или в подподовых топках или в форкамерных топках. Форкамерные топки – небольшие топки в боковых стенах для предварительного сжигания топлива с коэффициентом расхода воздуха 0,8. От этих топок дым вводится в рабочее пространство с помощью инжекционных устройств за счёт высокоскоростных струй воздуха, что создаёт хорошую циркуляцию дыма, омывающего садку.

9.6.1  Камерная печь с выкатным подом. Приблизительные материальные и тепловые балансы. Мероприятия по снижению расхода топлива

Печь с выкатным подом – печь, в которой загрузка и выгрузка металла производятся цеховым краном на подину, выкатываемую относительно стен и свода печи. Эту печь используют в тех случаях, когда масса садки велика и имеет сложную "архитектуру", например, садка располагается в несколько слоёв.

Пример печи с выкатным подом приведён на рис. 9.14. Печь работает следующим образом.

В разогретой пустой печи поднимается заслонка и подина, опираясь на катки, выкатывается на площадку перед печью. Часто вместо катков используют колеса, прикрепляемые к раме подины и движущиеся по специально уложенным рельсам. С помощью подъёмного крана на выкатанную подину укладывается садка металла в определённом порядке. В это время горелки не работают, а стены и свод интенсивно отдают теплоту излучением на то место, где только что стояла подина. Поэтому место под подиной должно быть теплоизолировано. После загрузки всей садки подина вкатывается обратно, заслонка закрывается и включаются горелки. Горелки располагаются в нижней части боковых стен (на рис. 9.14 – 14 горелок; по 7 штук на каждой стене). Часто горелки располагаются в два ряда и сжигание топлива практикуется в форкамерах. В данном примере горелочные камни подобраны таким образом, что они создают факел под некоторым углом к стене для обеспечения интенсивной циркуляции дыма и максимальной равномерности нагрева садки. Продукты горения удаляются из рабочего пространства через дымовые окна в боковых стенках. В данном примере 16 каналов, по 8 в каждой стенке. Дым проходит по подъемным дымовым каналам и поступает в сборные каналы, располагаемые вдоль стен печи над сводом. Из сборных каналов дым поступает в общий канал, в котором находится рекуператор для подогрева воздуха. Охлажденный в рекуператоре дым направляется в дымовую трубу и выбрасывается без очистки в атмосферу. После завершения процесса термообработки подина выкатывается и металл заменяется на холодный. Далее процесс повторяется.

Рис. 9.14 – Камерная печь с выкатным подом:

1 ‑ заслонка; 2 ‑ механизм подъёма заслонки; 3 ‑ дымовой канал для соединения сборных каналов; 4 ‑ рекуператор; 5 ‑ металлический каркас; 6 ‑ подъемный дымовой канал; 7 ‑ сборные каналы, располагаемые вдоль стен над сводом; 8 ‑ рабочее пространство печи; 9 ‑ горелки; 10 ‑ горелочный камень; 11 ‑ песочный затвор; 12 ‑ дымовые окна; 13 ‑ отверстие для термопары; 14 ‑ подина; 15 ‑ ролики (катки, колёса); 16 ‑ механизм перемещения подины

Технологический процесс контролируется термопарами, вставляемыми через специально предусмотренные отверстия в стенах. Число смотровых и рабочих окон ограничено одним, закрытым в нормальном состоянии заслонкой.

Газоплотность печи обеспечивается системой песочных затворов, которые установлены между подиной и всеми стенами, а также между подиной и заслонкой.

Пример теплового баланса печи с выкатным подом приведен в табл. 9.6 и 9.7. Здесь приняты следующие условия: а) нагрев садки слябов (144 тонны) от 20 до 750 °С с примерно постоянной скоростью в течение 19,3 часа; б) выдержка при 750 °С в течение 8 часов. Соответственно, баланс разбивается на два самостоятельных баланса: периода нагрева и периода выдержки. Эти балансы легко объединяются в один баланс простым суммированием.

Таблица 9.6 – Ориентировочный тепловой баланс камерной печи с выдвижным подом в период нагрева (на 1 кг нагретого металла)

Таблица 9.7 – Ориентировочный тепловой баланс камерной печи с выдвижным подом в период выдержки (на 1 кг нагретого металла)

В данном примере удельный расход условного топлива составил (1124 + 34,7) / 29,3 = 40 кг у.т./т металла. Удельный расход условного топлива в печи выкатным подом сильно зависит от режима термической обработки – температур в печи и длительности пребывания металла в печи. Так, отжиг при температуре печи 800‑950 °С требует расхода топлива 40-130 кг у.т./т металла. Отпуск (при температуре печи 550 °С) требует расхода 25-60 кг у.т./т металла. Меньшие цифры относятся к термообработке за более короткое время.

Для сокращения расхода топлива можно рекомендовать следующее:

1. совершенствование системы отопления для интенсификации циркуляции дыма, быстрого и равномерного нагрева металла. Здесь подразумевается использование специальных форкамер, горелок, воздушных сопел, а также их количество и расположение;

2. в период выкатки подины закрытие оголяемого подподового пространства экраном в виде отражательной плёнки, цепляемой к заднему торцу подины;

3. разделение функций нагрева и выдержки между разными печами с пересадкой садки из одной печи в другую по ходу процесса, чтобы печи работали при постоянной мощности;

4. использование волокнистых теплоизоляционных материалов в кладке печи;

5. использование регенеративных горелок с шариковой насадкой;

6. применение импульсной системы отопления.

9.6.2  Камерная печь с неподвижным подом. Приблизительные материальные и тепловые балансы. Мероприятия по снижению расхода топлива

Камерная печь с внешней механизацией – печь, в которой загрузка и выгрузка металла происходит за счет механических устройств, расположенных за пределами печи. Эта печь не имеет тех потерь теплоты, которые есть в печи с выкатным подом при погрузке металла на подину. Но, с другой стороны, загрузка металла в печь с внешней механизацией усложнена. Обычно для крупных печей используется мощная напольная загрузочная машина, перемещающаяся по рельсам вдоль торцов загрузки ряда печей и обслуживающая эти печи. Если на заводе (в цехе) планируется иметь 1-2 печи, то нет смысла иметь громоздкую напольную машину, а надо иметь печи с выкатным подом.

Пример печи с неподвижным подом представлен на рис. 9.15. Особенность данной печи в наличии подподовой топки для сжигания топлива.

Рис. 9.15 – Камерная печь с внешней механизацией:

1 ‑ рабочее пространство; 2 ‑ каркас; 3 ‑ отверстия для термопар; 4 ‑ дымоотводящие каналы; 5 ‑ заслонка; 6 ‑ подподовая топка; 7 ‑ канал входа дыма в рабочее пространство; 8 ‑ сборный канал для дыма; 9 ‑ механизм подъёма заслонки; 10 ‑ уг­луб­ления в подине для лап напольной машины; 11 ‑ рециркуляционный канал; 12 ‑ го­рел­ка

Принцип работы печи следующий. Перед загрузкой садку готовят, т.е. укладывают на специальные подставки. Далее лапы напольной машины пропускаются под эти подставки и вся садка полностью отвозится напольной машиной к нужной печи. В печи поднимается заслонка и на лапах напольной машины садка заносится в печь. После этого лапы опускаются в специально предусмотренные углубления в подине, передавая садку подине, и вытаскиваются из печи. Заслонка закрывается. Подставки, на которые укладывалась садка, остаются в печи на всё время термообработки, используются многократно и поэтому они выполняются из жаропрочной стали.

После загрузки садки включаются горелки в подподовых топках. Образовавшиеся продукты горения проходят под подиной и поступают в рабочее пространство через канал 7 (рис. 9.15). Через рециркуляционный канал 11 в подподовую топку подсасываются газы из рабочего пространства. В результате этого снижается уровень температуры газов, выходящих в рабочее пространство, и обеспечивается интенсивная циркуляция печных газов.

Отвод отработанного дыма происходит через отверстия в боковых стенках на уровне подины и возле свода. Отверстия и вертикальные каналы для отвода дыма хорошо видны на разрезе А-А пунктирными линиями. Дым с левой и правой стенок печи собирается в один канал (на рис. 9.15 не показано) и далее через рекуператор уходит к дымовой трубе. Обычно несколько печей обслуживаются одной дымовой трубой.

Печь достаточно газоплотна, единственный песочный затвор устанавливается между заслонкой и подиной. Как и другие камерные печи, печь не имеет дополнительных смотровых окон.

Ориентировочный тепловой баланс печи с неподвижным подом приведен в табл. 9.8. Данный баланс составлен при следующих условиях: нагрев садки массой 320 кг под закалку от 20 до 850 °С с конечным перепадом температур по сечению 5 °С.

В данном примере удельный расход топлива составил 3716 / 29,3 = 127 кг у.т./т металла из-за высокой температуры уходящих из печи продуктов горения и отсутствия теплоутилизирующих устройств. В целом, удельный расход топлива в печи с внешней механизацией меньше, чем в печи с выкатным подом, и составляет при отжиге (температура печи 840 °С) в зависимости от длительности процесса термообработки около 40-140 кг у.т./т металла.

Таблица 9.8 – Ориентировочный тепловой баланс камерной печи с неподвижным подом (на 1 кг нагретого металла)

Для снижения расхода топлива можно предложить следующее:

1. совершенствование системы отопления для улучшения циркуляции дыма в рабочем пространстве, например, путём совмещения форкамерного и подподового сжигания топлива, применением импульсной системы отопления;

2. разделение функций нагрева и выдержки между разными печами с пересадкой садки из одной печи в другую по ходу процесса термообработки;

3. оптимизация температурного режима термообработки путём максимально быстрого прохождения первой стадии нагрева;

4. использование современных теплоизоляционных материалов в кладке печи;

5. организация отопления печи регенеративными горелками с шариковой насадкой.

9.6.3  Колпаковая печь. Приблизительные материальные и тепловые балансы. Мероприятия по снижению расхода топлива

Колпаковая печь – печь периодического действия для термообработки рулонов ленты, листов и бунтов проволоки. Отличительная особенность колпаковой печи – наличие двух колпаков: внутреннего, предохраняющего металл от окисления (муфеля), и наружного, футерованного огнеупорным кирпичом, на котором монтируются горелки или электрические нагреватели. Муфель выполняется из жароупорной стали. Герметизация колпаковой печи достигается применением песочных затворов. Обычно для ускорения нагрева металла с помощью внутреннего циркуляционного вентилятора создают интенсивную циркуляцию защитного газа под муфелем.

Принципиальные отличия имеют колпаковые печи для отжига листов, уложенных в стопу; колпаковые печи одностопные, колпаковые печи трёхстопные и колпаковые печи для отжига распушенных рулонов. Из этого многообразия конструкций наиболее распространена одностопная печь. Она лучше других вписывается в поточное производство, нагревает металл достаточно равномерно и быстро, даёт низкую себестоимость нагрева и довольно низкий расход топлива.

Пример одностопной колпаковой печи приведен на рис. 9.16.

Рис. 9.16 – Схема колпаковой печи:

1 ‑ вход в дымовой боров; 2 ‑ инжектор; 3 ‑ кольцевой канал сжатого воздуха; 4 ‑ конвекторное кольцо; 5 ‑ рулон; 6 ‑ нагревательный колпак; 7 ‑ крышка; 8 ‑ двойной муфель; 9 ‑ рабочее колесо вентилятора; 10 ‑ газопровод; 11 ‑ горелка; 12 ‑ песочный затвор

Время нагрева в колпаковой печи является главным фактором, влияющим на расход топлива. Время зависит от условий теплообмена на торцах и боковой поверхности рулонов металла. Известно, что для прогрева плотносмотанных рулонов в радиальном направлении требуется времени в несколько раз больше, чем для прогрева в аксиальном направлении. Это связано с тем, что коэффициент теплопроводности в радиальном направлении для стали составляет только 1,5-4 Вт/(м×К), а в аксиальном направлении около 30 Вт/(м×К). Низкие значения коэффициента теплопроводности в радиальном направлении связаны с наличием воздуха между витками рулона. Для обеспечения подвода необходимого количества теплоты к торцам рулонов служат специальные устройства, называемые конвекторными кольцами и размещаемые между рулонами. Они представляют собой набор узких параллельных спиралевидных каналов между плоскими пластинами. По каналам проходит горячий защитный газ, отдающий свою теплоту. Высота конвекторных колец – 50-120 мм.

Равномерность нагрева металла определяется типом направляющего аппарата, расположенного в самом низу муфеля. Внутри аппарата располагается рабочее колесо циркуляционного вентилятора. Защитная атмосфера подсасывается в аппарат сверху вниз и распределяется по периферии.

Принцип работы колпаковой печи определяется технологическим процессом, который делится на три примерно одинаковые стадии: нагрев до 650-800 °С, охлаждение под муфелем до 150 °С и без него и последняя стадия –разгрузка и загрузка стенда. Равенство времени по стадиям позволяет использовать три стенда с одним нагревательным колпаком и двумя муфелями. Загрузка металла заканчивается опусканием на стенд поверх стопы рулонов муфеля и нагревательного колпака. После этого подаётся защитный газ (обычно смесь из 95 % N₂ и 5 % Н₂) и с помощью циркуляционного вентилятора осуществляется его циркуляция. Затем включаются горелки. Продукты горения проходят между нагревательным колпаком и муфелем и при помощи инжектора (инжектирующая среда – компрессорный воздух) удаляются в дымоотводы и в дымовой боров. Температура дыма перед инжектором около 630-660 °С. В колпаковых печах физическая теплота дыма обычно не утилизируется, что можно считать одним из недостатков печей.

Защитный газ подается циркуляционным вентилятором в зазор между муфелем и рулонами стопы. Газ равномерно распределяется по конвекторным кольцам и через них попадает во внутренние полости рулонов, омывая их. Опускаясь по внутренней полости стопы газ возвращается в циркуляционный вентилятор. Кольца получают теплоту от защитного газа конвекцией и нагревают рулоны. Муфель излучает на боковую поверхность металла, но тепловой поток несущественен для нагрева рулонов из-за отмеченного ранее низкого коэффициента теплопроводности в радиальном направлении. Исключение делается для верхнего рулона, который получает теплоту на свой торец. Поэтому верхний рулон всегда греется быстрее других. В наихудших условиях нагрева и охлаждения находится нижний рулон. Проблемой является низкий коэффициент теплоотдачи от муфеля к защитному газу, в результате чего вынужденно поддерживаются высокими температура муфеля и температура дыма под нагревательным колпаком. Это приводит к повышенной температуре уходящих газов и высокому расходу топлива.

Ориентировочный вид теплового баланса камеры сжигания топлива колпаковой печи (под нагревательным колпаком) приведен в табл. 9.9.

При составлении баланса принято следующее. Происходит нагрев стопы из 4 рулонов стальной ленты диаметром 2,2 метра от 60 до 720 °С. Масса садки – 110,4 тонны. Время нагрева – 50 часов. Допустимая разница температур по объему садки – 50 °С. Топливо – коксодоменная смесь с низшей теплотой сгорания 6,65 МДж/м³.

В данном примере удельный расход топлива составил 1129/29,3 = 39 кг у.т./т металла. Обычно удельный расход топлива в одностопных колпаковых печах в зависимости от режима термообработки составляет от 35 до 50 кг у.т./т металла.

Таблица 9.9 – Ориентировочный тепловой баланс колпаковой печи (на 1 кг нагретого металла)

Пути экономии топлива в колпаковых печах:

1. использование рекуператоров для подогрева воздуха до 350-390 °С, что снижает расход топлива на 17-20 %;

Бесплатная лекция: "БОМАРШЕ Пьер Огюстен" также доступна.

2. интенсификация теплообмена между нагревательным колпаком и муфелем (специальная обмазка внутренней поверхности нагревательного колпака, скоростные горелки и т.п.);

3. разработка оптимальной конструкции конвекторных колец, обеспечивающих высокую теплоотдачу к торцам рулонов и имеющих низкое гидравлическое сопротивление;

4. применение в кладке волокнистых огнеупорных материалов, позволяющих примерно в 2 раза снизить потери теплоты на аккумуляцию кладки;

5. разработка конструкции печи с условиями теплообмена на всех торцах рулонов, похожими на условия для верхнего торца верхнего рулона;

6. замена двух колпаковых печей одной реверсивной печью, принцип которой аналогичен работе стана Стеккеля: две обогреваемые камеры с печными моталками. Но в отличие от стана Стеккеля, между камерами с моталками находится система стационарных и подвижных роликов, подогревающих или охлаждающих ленту рулона при перематывании;

7. изменение схемы подачи защитного газа: газ подается циркуляционным вентилятором не по периферии, а по центру рулона и через конвекторные кольца выбрасывается струями на стенки защитного муфеля. При этом резко увеличивается теплоотдача на внутренней поверхности муфеля, что приводит к сокращению времени цикла термообработки на 20-30 % и сокращению расхода топлива.