Конструкция колодцев

2.2 Конструкция колодцев

 

Нагревательные колодцы бывают с регенеративным и с рекуперативным подогревом воздуха. Регенеративные колодцы – это устарелые конструкции, которые нигде уже не строятся.

Колодцы с отоплением из центра пода. Такие колодцы (рисунок 123) применяют для нагрева слитков перед прокаткой на блюминге производительностью около 2,5 млн. т/год. Они достаточно надёжны 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 ºС. Воздух, пройдя через рекуператоры, поступает к горелке с двух сторон по сборным каналам. Газ подаётся 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 создаётся 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 ºС 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 ºС; 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 создаётся 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 неопределённым. При недостатки 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.

Ненадёжная (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 определённой мере реализуются применением колодцев с одной верхней горелкой. Конструкция колодцев представлена на рисунке 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. Причём, раньше других нагреваются слитки, находящиеся около этой стены.

Когда температура в импульсной точке достигает заданного значения, то во избежание её 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 ºС, 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 ºС. В этом случае температура воздуха перед горелкой составляет 650 – 700 ºС. Если для инжектирования применять компрессорный воздух (5 – 7 % общего расхода), то температура воздуха перед горелкой составит 700 – 800 ºС.

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

Таблица 19 - Показатели работы рекуперативных нагревательных колодцев

Параметр	С центральной горелкой	С одной верхней горелкой
Средняя производительность одной группы, тыс. т/год	230	340
Число оборотов колодцев в год	1360	870
Удельный расход топлива, кДж/кг	1150	1320
Простои колодцев на ремонтах, % к календарному времени	3,77	3,98
Удельный расход огнеупоров на 1 т, кг/т	1,85	1,27

Колодцы с двумя верхними горелками (рисунок 151) отапливают смесью коксового и доменного газов. Горелки расположены в верхней части рабочего пространства в шахматном порядке. Обычно применяют горелки типа «труба в трубе» или простейшие турбулентные. Горелка должна быть рассчитана так, чтобы количество кинетической энергии струй, создаваемых горелкой, было достаточным для проталкивания продуктов сгорания по петлеобразной траектории – от горелки да дымоотводящих каналов.

Колодцы оборудованы керамическими рекуператорами из восьмигранных карбошамотных трубок, аналогичных тем, которые применяют на нагревательных колодцах с отоплением из центра подины. Поперечные размеры нагревательных колодцев с двумя верхними горелками близки к размерам колодцев с отоплением из центра пода, но глубина их больше (4,2 – 4,4 м). Отсутствие горелки в центре пода позволяет увеличить садку металла, однако прироста производительности это не даёт, так как увеличение садки приводит к увеличению времени нагрева металла.

Следует отметить, что колодцы с двумя верхними горелками по основным показателям – производительности, качеству нагрева, расходу топлива, тепловой нагрузке – схожи с колодцами, отапливаемыми из центра пода. Применение жидкого шлакоудаления на колодцах с двумя верхними горелками весьма затруднено тем, что наибольшая температура достигается в верхней части ячейки, внизу температура значительно меньше и сварочный шлак не жидкотекуч.

Определение количества и планировка пролёта нагревательных колодцев. Время нагрева слитков является главным фактором, от которого зависит производительность нагревательных печей. В нагревательных колодцах при нагреве холодных слитков применяют трёхступенчатый режим нагрева, состоящий из периодов предварительного нагрева, ускоренного нагрева и выдержки. В течении периода предварительного нагрева скорость повышения температуры металла поддерживается таким образом, чтобы в нём не возникли чрезмерные температурные напряжения. После достижения 500 – 550 ºС, когда металл уже приобретает необходимые пластические свойства начинается период ускоренного нагрева, который заканчивается после того, как поверхность слитков достигнет конечной температуры нагрева. В течение последующей выдержки практически при постоянной температуре поверхности происходит выравнивание температуры по сечению слитка.

Необходимо отметить, что увеличение садки металла обычно приводит к увеличению времени нагрева металла, поэтому существует оптимальная садка, при которой обеспечивается наивысшая производительность колодцев.

Потребное число групп нагревательных колодцев можно определить, если известны следующие величины:

τп – время посадки слитков, ч;

τн – время нагрева слитков, ч;

τв – время выдержки слитков, ч;

τш – время уборки шлака, ч;

n – число ячеек в одной группе, шт.;

G – масса садки одной ячейки, т;

m – коэффициент, учитывающий простои колодцев на ремонт. Обычно простои колодцев составляют около 15 %, поэтому величину коэффициента m принимают равной 0,85.

Средняя производительность одной группы колодцев Р, т/ч, при нагреве одинаковых слитков, таким образом, будет равна

Если в нагревательных колодцах нагревают слитки различной массы, марок стали и температуры посада, то их среднюю производительность можно определить по формуле

где a,b,c,…,n – доля слитков данной массы, марки стали и температуры посада в программе нагревательных колодцев;

P1, Р2, Р3,…, Рn – производительность группы колодцев при нагреве слитков одного типа, подсчитанная по формуле.

Зная часовую производительность обжимного стана и среднюю часовую производительность группы колодцев, легко определить необходимое число группы колодцев.

Планировка пролётов нагревательных колодцев. При увеличении годовой производительности обжимных станов, которая составляет 4 – 5 млн. т/год часовая производительность будет измеряться величиной 600 т/ч, а прокатка одного слитка будет занимать около 50 с. При таком темпе прокатки все операции по подаче слитка к стану должны выполнятся за отрезок времени, не превышающий 50 с. К этим операциям относятся следующие: захват слитка краном, перенос слитка к слитковозу и установка на нём слитка, разгон и пробег слитковоза, а также торможение слитковоза перед приёмным рольгангом и перегрузка на него слитка.

Наиболее распространённая схема планировки с продольным расположением нагревательных колодцев (рисунок 153). Причём применяют один или два слитковоза (рисунок 153, а). При такой схеме время пробега слитковоза составляет важную часть общего времени, затрачиваемого на подачу одного слитка. Для уменьшения этого времени при приблизительно постоянной скорости движения слитковоза около 7 м/с целесообразно применять такие нагревательные колодцы, которые обеспечивают наибольшую производительность на 1 м длины пролёта. Такими конструкциями являются колодцы с одной верхней горелкой.

Однако применение такой схемы планировки вследствие длительного пути пробега слитковоза не позволяет обеспечить слитками обжимные станы производительностью более 3 млн. т/год. Для высокопроизводительных станов разработана схема продольного расположения отделения нагревательных колодцев с несколькими слитковозами, движущимися по кольцевому пути (рисунок 153, б). Эта схема может обеспечить любой цикл прокатки. Поскольку путь слитковоза кольцевой, то для подобной схемы планировки производительность нагревательных колодцев в расчёте на 1 м длины пролёта решающего значения уже иметь не будет. Выбор конструкции колодцев определяется качеством нагрева металла и экономическими соображениями.

Регенеративные колодцы. Колодец снабжён двумя парами регенераторов, причём ближайший к рабочему пространству регенератор обязательно газовый. Газ и воздух подогревают примерно до 800 ºС. Колодец работает реверсивно. Сначала топливо и воздух поступают с одной стороны и, нагреваясь в регенераторах, попадают в рабочее пространство. Образовавшиеся дымовые газы проходят через другую пару регенераторов и отдают своё тепло огнеупорной насадке. Затем происходит перекидка клапанов, и весь цикл повторяется в обратном направлении. Металл нагревается до 1200 – 1250 ºС, температура в рабочем объёме колодца составляет 1350 – 1400 ºС.

Общая тепловая мощность подобных колодцев составляет 20,95 – 23,045 ГДж/ч, причём на долю горения топлива приходится около 65 %, на долю тепла подогрева воздуха и газа – примерно 35 %. Нагревательные колодцы подобного типа могут работать на чистом доменном газе и на смеси коксового и доменного газов.

В регенеративных нагревательных колодцах в каждой группе по четыре ячейки. Большинство нагревательных колодцев работают на слитках горячего посада. При этом температура горячего посада обычно составляет около 750 ºС, но иногда достигает и 850 – 870 ºС. Удельная доля слитков горячего посада по отношению к массе всех слитков достигает 95 %.

Производительность группы регенеративных колодцев рассматриваемой конструкции при 95 % горячего посада с температурой около 780 ºС составляет 300 тыс. т/год, а удельный расход тепла 1131,3 кДж/кг.

В регенеративных колодцах горение топлива развивается в нижней части колодца, поэтому температура около подины достаточно высокая, и надёжно осуществляется жидкое шлакоудаление.

В нагревательных колодцах регенеративного типа крайне несовершенна система сжигания топлива, что влечёт за собой существенные недостатки. Горение топлива практически начинается над газовыми регенеративными насадками, через которые подаётся топливо, протекает в рабочем пространстве и заканчивается в противоположных насадках. Это приводит к неравномерности нагрева садки металла, так как слитки, расположенные ближе к регенераторам, нагреваются значительно быстрее, чем слитки в средней части рабочего пространства. Второй существенный недостаток вызван тем, что для автоматизации теплового процесса печи всегда необходимо правильно выбрать в рабочем пространстве такую точку, по изменению температуры которой можно строить процесс автоматизации. В регенеративных колодцах надёжно выбрать такую точку невозможно, поскольку в результате перекидки клапанов и плохого смешения газа и воздуха температура может всё время изменяться по всей длине рабочего объёма колодца, причём возможны и случайные колебания температур.

Печи с выдвижным подом. Иногда для нагрева слитков применяют печи с выдвижным подом (рисунок 154). Металл в подобной печи может нагреваться до 1100 – 1300 ºС или догреваться от 600 до 1300 ºС. В качестве топлива применяют мазут, генераторный или коксодоменный газ. Печь оборудована регенераторами для подогрева воздуха до 600 – 800 ºС. Объём регенеративной насадки на 1 м² площади пода составляет 0,75 – 1,0 м³.

Для сжигания газа применяют горелки низкого давления, расположенные в два ряда на продольных стенах печи в шахматном порядке. Масса садки колеблется от 120 до 200 т. Удельный расход тепла при нагреве металла от 0 до 1200 ºС составляет 4600 – 5030 кДж/кг, а при догреве от 600 до 1100 ºС он равен 2300 – 3000 кДж/кг.

В подобных печах значительное количество тепла расходуется на нагрев кладки, поэтому пусковая тепловая мощность печи должна составлять 670 – 1173 ГВт на 1 м² площади пода печи.

Выкатная подина печи перемещается на специальных катках, соединённых в две обоймы. Поскольку подина перемещается по каткам быстрее, чем сами катки, длина обоймы должна быть в 1,5 раза больше длины подины.

Печи для нагрева блюмов и слябов. Блюмы и слябы перед дальнейшей прокаткой на рельсобалочных, сортовых, листовых и других станах нагревают до температуры прокатки почти исключительно в нагревательных проходных печах различного типа. Наряду с тепловым и температурным режимом определяющее значение для работы этих печей имеет метод транспортирования металла через печь. Толкательные противоточные печи для нагрева прямоугольной заготовки получили широкое распространение. В таких печах лежащие на поду и соприкасающиеся друг с другом заготовки задаются и перемещаются в печи при помощи специального механизма-толкателя. Выдача металла из печи может быть торцевой и боковой. При торцевой выдаче функции выталкивателя выполняет толкатель: задавая очередную заготовку в печь, он перемещает все заготовки и выталкивает ближайшую к окну выдачи заготовку. При боковой выдачи применяют специальный выталкиватель. Преимуществом толкательных печей является то, что проталкивание – наиболее простой и дешёвый метод транспортирования металла через печь. Основные недостатки данного метода заключаются в следующем:

-  при перемещении заготовки трутся друг о друга и о подину, что ухудшает качество поверхности металла;

-  при движении заготовок образовавшаяся окалина осыпается и создаётся возможность дополнительного окисления;

-  осыпающаяся окалина попадает на под печи, реагирует с материалом пода, в результате чего на подине образуются бугры, препятствующие нормальному проталкиванию металла, и возникает проблема удаления окалины;

-  печь не может быть без специальных мер освобождена от металла в случае остановки стана, ремонтов или с целью проведения работы по удалению окалины;

-  современные печи делаю весьма широкими (до и более 12 м), что крайне затрудняет операцию удаления окалины;

-  в толкательных печах без выгорбливания возможно проталкивание не более 200 – 250 квадратных заготовок, что ограничивает размеры и производительность печей.

Печи с роликовым подом представляют собой весьма совершенную и перспективную конструкцию проходных печей с механизированным подом. Они удачно компонуются в линиях поточного производства, поскольку роликовый под может быть продолжением цехового рольганга. Печи с роликовым подом широко применяются при термической обработке металла. Использование таких печей для высокотемпературного нагрева перед прокаткой несколько сдерживается недостаточной стойкостью роликов и большими потерями тепла с охлаждающей водой.

Печи с шагающим подом или балками также весьма перспективны. Они свободны от недостатков, присущих толкательным печам. В них нагрев металла происходит с трёх сторон. Кроме того, в печах с шагающим подом легко менять режим нагрева, что является большим преимуществом в случае частой смены сортамента нагреваемого металла.

Наиболее ответственной частью футеровки проходных нагревательных печей являются участки монолитного пода, футеровка элементов шагающего пода, т.е. все элементы футеровки, подвергающиеся воздействию окалины при достаточно высокой температуре (1200 – 1250 ºС), при которой окалина может активно взаимодействовать с огнеупорными материалами. В силу этого верхние слои таких участков футеровки печи обычно выполняют из хромомагнезита, магнезитохромита и талькового кирпича – материалов, не взаимодействующих с окалиной. Подину обычно выполняют трёхслойной: из хромомагнезита (или другого окалиностойкого материала); шамота класса Б; диатомитового кирпича.

Своды печей выполняют арочными и подвесными. В качестве огнеупорного материала чаще всего используют шамот класса А и каолиновый кирпич. Стены печей выкладывают в низкотемпературных зонах двухслойными (шамот класса Б и диатомит), в высокотемпературных зонах трёхслойными (шамот класса А или каолин, шамот класса Б, диатомит).

Тепловой режим и отопление печей. Тепловой и температурный режимы проходных нагревательных печей неизменны во времени. Однако температура по длине печи может быть неизменна, но может и значительно меняться.

Чем выше температура в печи, в которую попадает холодный металл, тем быстрее растёт температура поверхности металла. Если нагревается тело, массивное в тепловом отношении, то резкое повышение температуры поверхности может вызвать возникновение чрезмерного температурного перепада. Поэтому массивный металл нагревают сравнительно медленно, постепенно, до тех пор, пока он не приобретёт необходимых пластических свойств, т.е. до 500 ºС. Этим и вызвано использование методического температурного режима работы печей. Для нагрева металла, который по своим размерам и свойствам ближе к тонкому телу, чем к массивному (например, слябы), созданы печи, работающие по режиму, занимающему промежуточное положение между камерным и методическим. Чтобы обеспечить общий подъём температурного уровня, в печи выполняют две сварочные зоны, в каждой из которых происходит сжигание топлива. При нагреве металла тонкого в тепловом отношении используют камерный режим, при котором поддерживается практически одинаковая температура по всему рабочему пространству. Обеспечение того или иного температурного режима работы печей достигается выбором метода отопления и соответствующего расположения горелочных устройств и дымоотводящих каналов.

Для обеспечения камерного режима необходимо горелки (форсунки) и дымоотборные каналы равномерно распределить по длине рабочего пространства.

Существует торцевое и сводовое отопление печей. При торцевом отоплении характер изменения температуры по длине печи определяет число и назначение её зон. Металл поступает в зону наиболее низких температур и, продвигаясь на встречу дымовым газам, температура которых всё повышается, постепенно нагревается. Методические печи по числу зон нагрева металла могут быть двух-, трёх- и многозонными с односторонним и двусторонним нагревом металла. Рассмотрим назначение зон на примере трёхзонной печи.

Методическая зона – первая (по ходу металла), с изменяющейся по длине температурой. В этой зоне металл постепенно подогревается до поступления в зону высоких температур (сварочную). Во избежание возникновения чрезмерных термических напряжений часто необходим медленный нагрев металла в интервале температур от 0 до 500 ºС. Вместе с тем методическая зона представляет собой противоточный теплообменник. Находящиеся в состоянии теплообмена дымовые газы и металл двигаются навстречу друг другу.

Металл нагревается дымовыми газами, т.е. утилизирует тепло дымовых газов, отходящих из зоны высоких температур. Общее падение температуры дымовых газов в методической зоне весьма значительно. Обычно в зоне высоких температур методических печей температура газов держится на уровне 1300 – 1400 ºС, в конце же методической зоны она находится в пределах 850 – 1100 ºС. Методическая зона значительно увеличивает коэффициент использования тепла, который достигает 40 – 45 %, тогда как в камерных печах он составляет 18 – 20 %.

Зона высоких температур или сварочная – вторая по ходу металла. В этой зоне осуществляется быстрый нагрев поверхности заготовки до конечной температуры. Температура нагрева металла в методических печах обычно составляет 1150 – 1250 ºС. Для интенсивного нагрева поверхности металла до этих температур в сварочной зоне необходимо обеспечивать температуру на 150 – 250 ºС выше, т.е. температура газов в сварочной зоне должна быть 1300 – 1400 ºС.

Томильная зона (зона выдержки) – третья по ходу металла. Она служит для выравнивания температур по сечению металла. В сварочной зоне до высоких температур нагревается только поверхность металла. В результате создаётся большой перепад температур по сечению металла, недопустимый по технологическим требованиям. Температуру в томильной зоне поддерживают всего на 30 – 50 ºС выше необходимой температуры нагрева металла.

Подобный трёхступенчатый режим нагрева необходим в тех случаях, когда нагревают заготовки, в которых может возникнуть значительный перепад температур по толщине (более 200 ºС на 1 м толщины металла). Такие печи (с тремя зонами) называют трёхзонными методическими печами.