Нагревательные устройства

В прокатном производстве в зависимости от массы, формы и размеров нагреваемого металла, а также способов посад­ки, перемещения при нагреве, способов нагрева и выдачи применяют следующие виды нагревательных устройств.

Нагревательные колодцы

Нагревательные колодцы применяют для нагрева слит­ков. По конструкции они бывают одноместные, многомест­ные, с центральной горелкой или боковым обогревом, ре­генеративные или рекуперативные, а также одноместные с электрическим обогревом для нагрева специальной легиро­ванной стали. Нагревательные колодцы должны обеспечи­вать равномерный нагрев слитков по сечению и высоте, исключать их перегрев и пережог; в результате нагрева давать минимальное окалинообразование; иметь высокую производительность при низком удельном расходе топлива; быть надежными в эксплуатации и обеспечивать полную автоматизацию процесса нагрева.

В нагревательные колодцы слитки сажают в вертикаль­ном положении, обычно прибыльной частью кверху. При таком расположении слитков в колодцах обеспечивается всесторонний нагрев, а вследствие этого улучшаются усло­вия нагрева металла, увеличивается скорость нагрева и повышается качество металла; отпадает необходимость в кантовке слитков. Вертикальное расположение слитков устраняет опасность смещения усадочной раковины при по­садке их в горячем состоянии.

Одноместные колодцы старых конструкций состоят из ячеек, отделенных друг от друга стенками. В каждой ячей­ке помещают один слиток. Загрузку и выгрузку слитков в колодцы этого типа производят непрерывно. Недостатки этих колодцев заключаются в неравномерном нагреве слитков по высоте и сечению, быстром изнашивании раздели­тельных стенок, необходимости остановки всей группы колодцев при ремонте одной ячейки, сложности обслужива­ния многочисленных крышек.

В регенеративных колодцах каждая группа состоит из четырех ячеек (рис. 63) по 6—8 слитков в каждой. Ячейка (камера) колодцев представляет самостоятельную нагрева­тельную печь, имеющую регенераторы для подогрева газа и воздуха. Два регенератора, ближайшие к рабочей каме­ре, предназначены для подогрева, газа, два дальние для подогрева воздуха.

Газ и воздух, пройдя регенераторы, встречаются в про­странстве над газовым регенератором, после чего горящая смесь через пламенное окно входит в рабочую камеру ко­лодца и нагревает слитки. Из рабочей камеры продукты го­рения уходят в регенераторы, расположенные с противопо­ложной стороны, а оттуда в борова и дымовую трубу.

Колодцы отапливают доменным газом или смесью до­менного и коксового газов. Шлак удаляют через два отвер­стия в коробку, установленную на вагонетке. Последняя передвигается по пути, расположенному в шлаковом кори­доре, общем для всех групп колодцев.

Нагревательные колодцы этого типа механизированы и имеют высокую производительность. Недостатком колодцев является неодинаковое расположение слитков по отноше­нию к потоку тепла, а следовательно, неодинаковый нагрев их. По этой причине емкость регенеративных колодцев не превышает 8—10 слитков, так как для увеличения емкости потребовалось бы удлинение камеры, что ухудшило бы равномерность нагрева слитков по длине камеры. Кроме того при этом возможно оплавление поверхности крайних слитков, а иногда и пережог, что обычно наблюдают при работ на жидком топливе.

В настоящее время на новых металлургических заводах строят рекуперативные колодцы (рис. 64), имеющие преи­мущества по качеству нагрева и условиям эксплуатации.

В рекуперативных колодцах с центральной горелкой (рис. 64, а) пламя движется вверх, ударяется о крышку, растекается по ее поверхности и омывает стены сверху вниз. После этого дымовые газы проходят через каналы в нижней части двух боковых стен и через керамические ре­куператоры, расположенные с обеих сторон каждой каме­ры. Группа таких колодцев состоит из двух камер. Емкость камеры составляет 12—22 мелких или 6 крупных слитков.

В настоящее время рекуперативные колодцы строят с подогревом воздуха и газа. Воздух нагревается в керами­ческом рекуператоре, а газ — в металлическом сварном трубчатом рекуператоре, установленном за керамическим. Температура подогрева может достигать 800—850 °С для воздуха и 300—350°С для газа. При таких температурах подогрева воздуха и газа колодцы могут работать только на доменном газе.

Рекуперативные колодцы по сравнению с регенератив­ными более просты по устройству, занимают меньше места и легче поддаются автоматизации.

Кроме рекуперативных колодцев с центральной горел­кой, применяют рекуперативные колодцы с боковыми го­релками. Различают два типа таких колодцев. В одном случае горелки (обычно одна) расположены с одной сторо­ны (рис. 64, б), в другом — с двух сторон (рис. 64, в).

В колодцы первого типа газ и воздух подаются с одной стороны сверху, а снизу выходят продукты сгорания. Ко­лодцы этого типа строят с камерой длиной до 8,5 м, шири­ной 2,6—3,35 м и глубиной до 4,5 м. Емкость одной камеры достигает 180 т, а в отдельных случаях 240 т. В одной груп­пе колодцев объединяют четыре камеры.

В рекуперативных колодцах второго типа вход топлива и выход продуктов горения осуществляются с двух сторон. Размер камер этих колодцев составляет 6,5×5 м; одна ка­мера может вместить до 120—130 т слитков.

Недостатком рекуперативного колодца является нерав­номерность нагрева слитков по высоте. Верхняя часть слитка и поверхность его, обращенная внутрь колодца, бы­вают нагреты значительно больше других частей. Для уменьшения неравномерности нагрева слитки в колодце приходится выдерживать дольше, а это снижает их произ­водительность.

Для нагрева слитков применяют также электрические нагревательные колодцы. Нагревательными элементами в этих колодцах являются карборундовые желоба, наполнен­ные нефтяным коксом, который при прохождении электри­ческого тока раскаляется и передает тепло окружающему пространству. Для лучшего разогрева нефтяного кокса в желоба иногда укладывают электроды.

Электрические колодцы характеризуются компактно­стью благодаря отсутствию рекуператоров, дымоходов и труб. В электрических колодцах можно снизить угар ме­талла до 0,2 % путем создания защитной атмосферы, кото­рая образуется при введении в камеры колодцев небольшо­го количества нефти. При нагреве слитков достигают более равномерный нагрев металла. Расход электроэнергии со­ставляет 60—70 кВт-ч на 1 т слитков при горячем всаде.

Камерные, туннельные, колпаковые печи и печи с выд­вижным подом

Камерные, туннельные, колпаковые печи и печи с выд­вижным подом применяют для нагрева крупных слитков, блюмов и заготовок, толстых и тонких листов, пакетов, труб, рулонов, сутунки.

Для нагрева блюмов на рельсобалочных станах приме­няют регенеративные камерные печи, представленные на рис. 65. Печи располагают по обе стороны подводящего рольганга стана. Подачу блюмов к печам производят те­лежкой. Нагретые блюмы из печей к стану подают такой же тележкой. Посадку блюмов в печи и выдачу из них осу­ществляют при помощи специальных посадочных машин кранового типа, называемых шаржирными. Топливом для печей служит смесь доменных и коксового газов с теплотой сгорания 5250 кДж/м³, причем в регенераторах подогревают газ и воздух.

Отжиг листов производят в коробах. Стопы листов ук­ладывают на поддоне и закрывают коробом. В зависимости от размеров листов конструкции поддонов и коробов различные. Нагрев листов в коробах производят в туннельных печах и печах с выдвижным подом.

Туннельная печь представляет собой длинный туннель (свыше 90 м) с горизонтальным сводом. Печь состоит из трех зон: нагревательной, томильной и зоны охлаждения. Короба с листовым металлом устанавливают на тележках, которые передвигаются в печи одна за другой. Когда в печь со стороны входа задвигается новая тележка, то другая одновременно выталкивается со стороны выхода.

Для термической обработки стали также применяют колпаковые печи (рис. 66), которые состоят из поддонов, короба и колпака с вертикальными трубчатыми обогревателями. Печь отапливают газом, который через горелки по­ступает в нагревательные трубчатые элементы, расположен­ные вертикально или горизонтально и излучающие тепло. Для отжига рулонов применяют колпаковые печи круглого сечения, чаще с электрическим обогревом. Для более равномерного нагрева рулонов колпаки имеют нейтральный сердечник с проводами электросопротивления, который вхо­дит внутрь рулона.

Для нагрева крупных листовых слитков применяют пе­чи с выдвижным подом (рис. 67). Слитки укладывают на платформу 1, передвигающуюся по рельсам. При помощи стационарных блоков 2 и 3, каната и лебедки или крюка крана платформу со слитками вдвигают в камеру печи и выдвигают из нее. Газ по трубам через клапан 4, канал 5, вертикальные каналы 6 поступает к горелкам 11, где сме­шивается с подогретым воздухом, поступающим через клапаны 8, 14, каналы 9, 13 и насадки регенератора 10, 12.

Для термической обработки сортового проката приме­няют такие же печи, но без регенераторов. Платформы пе­редвигаются на колесах или на роликовых цепях, позволяющих уменьшить высоту печи, а также увеличить нагрузку на платформу.

Карусельные печи (рис. 68) применяют на современных трубопро­катных станах, а также для нагрева заготовок при штучной прокатке тонких листов. Горелки расположены по окружности печи с внутренней и наружной сторон. Стены печи покоятся на фундаменте, а под печи имеет катки, которые при вращении пода перемещаются по рельсам, замкнутым по кругу. Загрузку металла произво­дят через загрузочное окно печи. Продолжительность на­грева определяется длиной печи (по окружности) и скоро­стью движения подины.

Методические печи

Методические печи (двухзонные, трехзонные и много­зонные) работают с противозонным движением металла и продуктов горения с использованием тепла в рекуперато­рах. Они действуют по одному принципу: движение метал­ла и печных газов происходит во взаимно противополож­ных направленнях. Металл при помощи толкателя продвигается от окна посадки к окну выдачи. По мере продвижения вперед металл отбирает тепло у печных газов, движущихся ему навстречу, и постепенно (методически) нагревается. Печные газы, отдавая тепло металлу в конце печи, уходят через соответствующие каналы в регенерато­ры или рекуператоры (если они имеются) и в боров, а че­рез него в дымовую трубу.

Методические печи отличаются друг от друга формой свода, способом подвода топлива для его сжигания, нали­чием устройств для подогрева воздуха и газа, способом вы­дачи металла из печи и целым рядом конструктивных осо­бенностей.

Кроме соответствующих теплотехнических параметров, нагревательные печи должны удовлетворять современным требованиям с точки зрения надежного дистанционного об­служивания. механизации н автоматизации всего комплек­са операций. Скорость нагрева зависит от марок сталей в усилий теплопередачи. Сначала скорость нагрева должна быть небольшой, затем по мере прогревания заготовок она увеличивается.

На рельсобалочных станах за последние годы применя­ют для нагрева металла методические трехзонные рекупе­ративные печи с подогревом воздуха (рис. 69). В качестве топлива применяют смесь доменного и коксового газов с теплотой сгорания 7560—8400 кДж/м³. Производитель­ность одной печи при горячем всаде достигает 80—90 т/ч, температура нагрева блюмов в этих печах достигает 1200°С.

Блюмы по рольгангу от блюминга поступают к наклон­ному транспортеру, оборудованному цепными шлепперами, и далее по загрузочному рольгангу к печам, через которые их проталкивают толкателями. После взвешивания на ве­сах, встроенных в секцию загрузочного рольганга перед первой печью, блюм движется по рольгангу и при помощи упора останавливается на секции загрузочного рольганга соответствующей печи. Загрузку блюмов в печь производят толкателем, имеющим две штанги, снизу которых закрепле­ны зубчатые рейки; последние приводятся в движение че­рез шестерни и редукторы от двух электродвигателей.

После загрузки очередного блюма в печь с противопо­ложной торцовой стороны ее выдают нагретый блюм по литым направляющим листам (склизам) на разгрузочный рольганг. Таким образом, толкатель одновременно является и выталкивателем.

На среднесортных и крупносортных станах применяют методические печи (рис. 70) с торцовой посадкой и выда­чей, с керамическими воздушными рекуператорами. В пе­чах последних конструкций применяют инжекторные бес­пламенные горелки высокого давления, что обеспечивает более высокий подогрев воздуха, значительно улучшает сжигание и позволяет автоматически регулировать соотно­шение газа и воздуха самой горелки, это значительно уп­рощает схему автоматики и облегчает управление печью.

Печи этого типа оборудованы керамическими рекупера­торами для подогрева воздуха до 500—600°С и металли­ческими трубчатыми рекуператорами для подогрева газа до 350 °С. Печь работает на сравнительно малокалорийной смесн доменного и коксового газов с теплотой сгорания 3760—6260 кДж/мл.

Для нагрева на мелкосортных н проволочных станах за­готовок сечением менее 100×100 мм и длиной 9 м устанав­ливают одну широкую печь с боковой загрузкой и боковой выдачей без нижнего подогрева, с монолитным подом. Для подогрева воздуха до 300—350 °С в этих печах служат керамические рекуператоры. Заготовки передвигаются по наклонной подине, а в методической части — по подовым брусьям. Передвижение заготовок в печи производят ры­чажным толкателем.

Боковая загрузка заготовок осуществляется при помо­щи заталкивающей тележки, установленной под загрузоч­ным рольгангом, или при помощи тянущих роликов, уста­новленных за загрузочным окном в печи. Выдачу из печи заготовок осуществляют выталкивателем. Печи такого типа отапливают смесью доменного и коксового газов с тепло­той сгорания до 10,5 Мдж/м³. На них достигают произво­дительности 70—80 т/ч при наличии горячего всада.

Методические печи последних конструкций имеют полез­ную длину до 18 м; для гарантии надежного проталкивания заготовок сечением 60×60 мм подину по продольной оси делают вогнутой (лекальной).

Удачными но конструкции и тепловому режиму оказа­лись печи с инжекторными горелками, установленными в двух верхних зонах и одной нижней. Такие печи производи­тельностью до 80 т/ч могут работать на одном доменном газе. Эти печи оборудованы керамическими рекуператорами для подогрева воздуха до 600 °С. Активная длина пода со­ставляет 16,5 м при длине заготовок 9 м.

В последних конструкциях этих печей длину заготовок увеличили до 12 м при длине активного пода лекальной формы, равной 18 м. Форсирование тепловой мощности до­стигают применением инжекторных горелок, подогревом газа и воздуха. Воздушный рекуператор керамический, газовый — трубчатый металлический. Эти печи без нижне­го подогрева имеют производительность до 140 т/ч.

Печи с шагающим подом

Для новых мелкосортных станов с использованием метода бесконечной прокатки (сварки нагретых заготовок в бесконечную полосу) приме­няют новый способ нагрева — сначала в печах с шагающим подом, а затем для компенсации понижения температуры при сварке и сохранения равномерности температуры заго­товок по длине они проходят через печи скоростного нагре­ва, установленные перед первой клетью стана.

Такой нагрев позволяет сохранить преимущества мини­мального расстояния между печью и станом и обеспечить возможность компановки не одной, а двух печей; таким об­разом создается резерв по нагреву металла для высокопро­изводительных прокатных станов. Применение двух печей с шагающим подом гарантирует производительность станов до 200—220 т/ч при высоком уровне механизации и автома­тизации участка нагревательных устройств.

С точки зрения теплопередачи печь с шагающим подом имеет преимущество перед остальными, так как в этих пе­чах интервалы между заготовками составляют 200 мм, что обеспечивает их нагрев с трех сторон. Время нагрева в пе­чах с шагающим подом уменьшается, что создает условия для снижения угара и обезуглероживания.

На рис. 71 показана печь с шагающим подом с торце­вой загрузкой и боковой выдачей и двумя зонами нагрева. Продукты горения в холодной части печи уходят вверх, ме­таллический рекуператор вынесен в сторону, так как низ печи занят механизмами шагающего пода.

Печи скоростного нагрева

Уменьшение продолжитель­ности нагрева металла в печи обеспечивает не только высо­кую производительность при хорошем качестве, но и реша­ет ряд принципиальных вопросов рациональной компоновки технологического оборудования. Теплофизические свойства большинства сталей обеспечивают большой резерв по уско­рению нагрева заготовок, особенно при температурах выше 700 °С.

Скоростной нагрев металла обеспечивает быстрое повы­шение температуры поверхности, равномерное распределе­ние потоков тепла и организацию сжигания топлива при правильном направлении факела и большую тепловую мощ­ность нагревательных устройств. Скоростная непрерывная печь состоит из ряда небольших секций (часто съемных). Нагреваемые заготовки, трубы или штанги продольно пе­ремещаются по роликам. В секциях обеспечивается полу­чение высоких температур благодаря предварительному смешиванию газа с воздухом, полноте сжигания топлива при небольшом избытке воздуха, а также вследствие уве­личения теплопередачи конвекцией. Конструкция горелок, их размещение обеспечивают симметричный нагрев. Приме­няют и другие печи скоростного нагрева — электрические и индукционные.

Проходные секционные печи работают на трубопрокат­ных и на современных сортовых станах в комплексе с печа­ми с шагающим подом.