Сегодня одним из самых существенных направлений по совершенствованию работы нагревательных и термических печей является сокращение расхода топлива при сохранении темпа тепловой обработки. Мероприятия по достижению этой цели известны и имеется множество примеров их успешной реализации [1, 2]. Таковыми являются: сокращение нерациональных теплопотерь рабочей камеры и уменьшение количества тепла, уходящего из агрегата с продуктами сгорания. Для многих отечественных агрегатов удельный расход топлива на нагрев металла под прокатку с холодного посада достигает величины порядка100 кг.усл.топл./т и более, в то время как в иностранной практике приводятся сведения об удельном расходе топлива при прочих равных условиях порядка 40 кг.усл.топл./т.
Постановка задачи
Действующие нагревательные и термические печи в металлургии и машиностроении нуждаются в улучшении показателей использования топлива и других ресурсов [1]. Представляет практический интерес на основе анализа информации и опыта научно-исследовательских работ кафедры металлургических печей НМетАУ наметить наиболее эффективные направления совершенствования конструкций и систем отопления нагревательных печей. Накопленный материал дает основание прогнозировать технико-экономические результаты реконструкции печей с точки зрения энерго- и ресурсосбережения.
Результаты исследования
Наиболее перспективна и актуальна реконструкция действующих печей прокатных станов для достижения более эффективного исполь- зования топлива, огнеупоров, уменьшения потерь металла в окалину. Из анализа теплового баланса печи, записанного в форме, пред- ложенной И.Д. Семикиным [2], следует вывод о том, что на величину удельного расхода теплоты топлива "в" влияют четыре фактора: 1. Коэффициент использования теплоты топлива – nит; 2. Потери теплоты через футеровку и окна печи, а также на разо- грев футеровки до рабочей температуры; 3. Тепловой дефицит металла; 4. Производительность печи. Если целью реконструкции печи непрерывного действия, напри- мер методической, является энергосбережение, то наиболее эффек- тивным средством уменьшения "в" является первый фактор – повы- шение nит.
Тепловой дефицит металла и производительность печи определяются условиями производства и технологией нагрева металла и, как правило, не подлежат изменению. Для термических печей периодического действия, наряду с утилизацией теплоты уходящих газов, значимым резервом экономии топлива может быть и второй фактор – уменьшение потерь теплоты на разогрев футеровки путем применения малотеплоемких и низкотеп- лопроводных волокнистых огнеупорных изделий. В качестве иллюстрации приведем результаты балансовых расчетов закалочной печи с выкатным подом фасонно-сталелитейного цеха.
Остановимся подробнее на вопросе повышения nит путем нагрева воздуха и газообразного топлива в рекуператорах и регенераторах. В рекуператорах доля теплоты, передаваемой воздуху, по отно- шению к теплоте уходящих газов составляет 30 – 40 %. Остальная те- плота дымовых газов выносится в атмосферу.
Перспективным направлением развития конструкций нагрева- тельных печей в XXI веке является применение для утилизации теп- лоты печных газов малогабаритных, в частности, шариковых регене- раторов. Регенеративные печи нового типа получают распространение в мире по мере накопления опыта их эксплуатации [3, 4, 5]. Насадка малогабаритных регенераторов, применяемых в промышленных на- гревательных печах, состоит из корундовых окатышей диаметром 20 – 25 мм, содержащих 98 % Al2O3. Поверхность нагрева 1 м3 такой на- садки в 10 – 15 раз больше, чем кирпичной насадки типа Сименс. По- этому шариковый регенератор имеет небольшие габариты и может ус- танавливаться в стенах печи или в так называемой регенеративной го- релке. Чтобы возвратить в печь с нагретым воздухом и, при необхо- димости, с газом как можно больше теплоты, уносимой дымом, на- садка регенератора не должна прогреваться по всей высоте, поэтому через 1 – 3 минуты делают перекидку клапанов – дымовоздушных и газовых, при этом температура дыма на выходе из регенератора не превышает 150 – 200 °С. Температура подогрева воздуха примерно на 100 °С ниже температуры дыма на выходе из печи. Расход топлива на печь сокращается в 1,5 – 2,0 раза. Наибольший эффект относится к печам, которые до реконструкции не имели рекуператоров.
В 2003 году на Украине введена в эксплуатацию первая нагрева- тельная печь с шариковыми регенераторами. На комбинате "Криво- рожсталь" реконструирован типовой рекуперативный нагревательный колодец с отоплением из центра подины, в результате чего трубчатые керамические рекуператоры заменены шариковыми регенераторами для подогрева воздуха. Опыт первой кампании промышленной экс- плуатации колодца описан в статье [6].
Система утилизации теплоты печных газов в компактных регене- раторах изменяет облик печей. Существующие сертифицированные горелки из металла рассчитаны на температуру воздуха до 500 °С и поэтому не применимы в регенеративных печах, где температура воз- духа может достигать 1200 °С и более. Факельное сжигание топлива с высокотемпературным воздухом в нагревательных печах нецелесооб- разно, поскольку излишне высокая температура горения вызывает ме- стный перегрев металла и повышает образование термических окси- дов азота. Факельное сжигание должно уступить место распределен- ному по объему печи или отдельной зоны, так называемому, объем- ному сжиганию топлива. В связи с этим возникает необходимость конструирования новых сожигательных устройств, их взаимного расположения и рациональ- ной организации реверсивного движения печных газов. Проектирова- ние печей нового типа становится наукоёмкой задачей, включающей физическое и компьютерное моделирование сжигания топлива и цир- куляции печных газов. В методических регенеративных печах не нужна неотапливаемая зона, в которой понижали температуру уходящих газов с целью эко- номии топлива. В печах с регенеративными горелками удельный рас- ход топлива не зависит от температуры уходящих газов в связи с глу- бокой утилизацией их теплоты в шариковых регенераторах, преду- сматривающей охлаждение дыма до 150 – 200 °С.
Дымовые газы уходят из печи через горелочные отверстия, рас- положенные в каждой зоне. Поэтому температурный режим каждой зоны регулируется автономно. В каждой зоне печи обеспечивается высокое значение ?ит (до 90 %).
Если нет ограничения по скорости нагрева металла из-за терми- ческих напряжений, то по всей длине печи можно поддерживать оди- наковую, максимально возможную по технологии, температуру. Та- кой камерный температурный режим обеспечит повышение произво- дительности печи или сокращение её длины при той же производи- тельности. Отпадает необходимость в строительстве материалоёмких огне- упорных дымовых каналов за печью. Дым с температурой 150 – 200 °С удаляется из регенераторов по трубам из обычной углеродистой стали. Становится более разрешимой старая проблема малоокислитель- ного нагрева стали в печах с открытым пламенем путем неполного сжигания топлива, поскольку дожигание может происходить в насад- ке регенератора. Реально сократить потери металла в окалину за один нагрев с 1,0 – 1,2 % до 0,5 % от массы нагреваемого металла с соот- ветствующим повышением выхода годного. Наряду с энерго- и ресурсосбережением, актуальной задачей ре- конструкции печи может быть достижение более высокого качества тепловой обработки металла. Качественный уровень продукции про- катного, кузнечно-прессового, литейного производства во многом за- висит от точности выполнения требований технологии по температу- ре, равномерности и стандартности нагрева металлоизделий. Температура нагрева характеризует достижение заданной темпе- ратуры на поверхности изделия в момент выдачи его из печи. Равно- мерность нагрева оценивают допустимым перепадом температуры по поверхности изделия и по его поперечному сечению в момент выдачи из печи. Стандартность нагрева означает выполнение требования идентичности температуры и равномерности нагрева всех изделий, выдаваемых из печи. Требования к температуре и равномерности нагрева по толщине изделия выполняют путем соответствующей выдержки металла при определенной температуре печи. Практика работы печей показывает, что для равномерного по поверхности и стандартного нагрева изделий необходимо управлять температурным полем в объеме рабочего про- странства печи с помощью циркуляции газов и условий сжигания то- плива [7]. Наиболее трудно решается эта задача в камерных садочных печах, когда требуется обеспечить одинаковую температуру печных газов по объему печи. Средствами выравнивания температуры в камерных печах служат внутренняя и внешняя рециркуляция, реверс печных газов, регули- руемое перемешивание топлива с воздухом путем пульсирующей по- дачи этих компонентов горения, перемещение факела в камере печи путем качания горелки или воздействия на него струей компрессорно- го воздуха.
В проходных печах с движущейся садкой стандартный нагрев за- готовок обеспечивается тем, что при стабильной работе печи каждая заготовка находится в одинаковых условиях нагрева. В ряде случаев, например, при нагреве заготовок большой длины в методических пе- чах возникает необходимость выравнивания температуры по длине заготовок в нижней зоне печи. Эта задача успешно решена при распо- ложении горелок в боковых стенах путем управления движением печ- ных газов поперек печи с помощью придания подине треугольного профиля [8]. Исходя из требования повышения качества тепловой обработки металла в нагревательных и термических печах, актуально конструи- рование печей с управляемым температурным полем. Информация из области теории и практики работы печей позволила сформулировать в общих чертах принцип локальности внешнего теплообмена в топлив- ных печах: нагрев поверхности материала или футеровки на каком- либо участке печи определяется излучением и конвекцией от газовых объемов, расположенных в непосредственной близости от этой по- верхности [7]. Если учесть, что перенос теплоты излучением в газовой фазе печи на один-два порядка меньше по сравнению с конвективным переносом теплоты движущимся газом, то нетрудно понять, что управлять температурным полем печи – значит управлять движением газов, с помощью которого теплота должна быть доставлена ко всем локальным участкам поверхности металла и футеровки.
Заключение
Таким образом, нагревательные печи металлургии и машино- строения в результате реконструкции могут обеспечить: ? глубокую утилизацию теплоты уходящих газов на уровне ?ит =90 %, в частности с применением малогабаритных регенераторов для нагрева воздуха и, в случае необходимости, газообразного топли- ва с соблюдением экологических требований; ? минимальные потери теплоты на разогрев футеровки и через элементы конструкции печей в окружающую среду путем использо- вания огнеупорных и теплоизоляционных волокнистых изделий; ? высокую равномерность и стандартность нагрева изделий на основе управления процессами движения газов и сжигания топлива; ? малоокислительный режим нагрева со снижением потерь ме- талла в окалину до 0,5 % массы нагреваемых изделий. Актуальным научным направлением реконструкции нагреватель- ных печей является разработка новых горелочных устройств для объ- емного сжигания топлива с высокотемпературным воздухом, а также систем отопления с малогабаритными регенераторами