Автор: Кубраков М.Б., Новикова Е.В.
Во многих цехах прокатного производства различных предприятий, в частности предприятий черной металлургии, термообработке могут подвергаться сортовой прокат, горяче и холоднокатаные листы, холоднокатаная лента, рельсы и другие виды продукции. Виды термообработки, которые используются в настоящее время, достаточно разнообразны: полный или изотермический отжиг, нормализация или закалка с последующим отпуском, низкотемпературный рекристаллизационный отжиг. В случаях термообработки стального проката, обычно используются печи либо садочные, либо проходные, имеющие принципиальные отличия.
Первый тип печей, садочные печи – это печи периодического действия, в процессе работы которых происходит изменение температурного режима в зависимости от времени. В печах такого типа металл выгружают на неподвижный под или же на выкатную подину, которая в процессе работы печи также неподвижна. В большинстве существующих печей этого типа загрузка металла происходит в частично остывшую печь, а нагрев металла при этом, происходит вместе с нагревом самой печи.
Исследование компьютерных программ при моделировании разных способов возбуждения колебаний позволяет определить точностные и частотные характеристики программ.Второй тип печей (проходные печи) – это уже печи не периодического, а постоянного действия. В проходных печах в пределах всего рабочего пространства остается неизменной температура во времени (также, как и в печах камерного типа). Движение металла при этом, в процессе нагрева печи, происходит с помощью особых механизмов путем перемещения от начала печи (одного её конца) к концу.
Для того, чтобы достичь наибольший экономический и экологический эффект необходимо применять весь комплекс современных энергоэффективных материалов и оборудования, а также разрабатывать и внедрять новые энергоресурсосберегающие технологии и оборудование [1].
На практике применение такого подхода к термическим печам можно реализовать следующими способами [2]:
– использование современных, доказанных свою эффективность, режимов нагрева и термообработки;
– применение футеровочных материалов, обладающих низкой теплопроводностью;
– установка современных высокоскоростных горелочных устройств, позволяющих эффективно утилизировать теплоту отходящих газов, при этом позволяющих поддерживать минимально возможный перепад температуры по всему рабочему пространству печи;
– использование современных автоматических систем для управления технологическим процессом нагрева и работ печи в целом.
Пример такого подхода при конструировании термической печи периодического действия наглядно рассмотрен авторами в работе [1]. В качестве футеровки выше уровня пода применяются керамоволокнистые материалы. Для отопления используется импульсная система, а также современная автоматика безопасности и контроля температурного режима. Технологии, которые применялись при проектировании и дальнейшем строительстве печи позволили получить (на этапе выдержки) распределение температурного поля в рабочем пространстве печи до ± 5 С, помимо этого, также уменьшить удельный расход условного топлива практически в несколько раз.
Использование современных рекуперативных горелок, работающих в импульсном режиме, в комплексе с футеровкой из волокнистых материалов и инновационной системой автоматизированного управления дает еще более значительное улучшение многих показателей работы печи. Так, по данным, приведенным Вохмяковым, Казяевым и Губинским [1] после модернизации с внедрением названных выше материалов и оборудования, удалось добиться увеличения производительности печи практически на 74% (при этом уменьшая абсолютный расход топлива на 13%), а удельного расхода топлива почти на 62,5% получая при этом равномерность нагрева по всей поверхности изделий ± 2 С.
Осуществление комплексного технического переоснащения печи с заменой футеровки на волокнистые материалы, заменой устаревших горелок на скоростные рекуперативные, а также современной системы управления температурным режимом практически всегда довольно затратно и, к сожалению, иногда является экономически неосуществимым. Тем не менее, даже частичная модернизация может принести весьма заметный эффект [3]. Компаниями «НПК «УралТермоКомплекс», НПФ «Горелочный центр» и «Перол» была произведенамодернизация роликовой печи Челябинского металлургического комбината. В этой печи установили 32 короткопламенные горелки ВН-1/150, разработанные горелочным центром ВНИИМТ для сжигания коксодоменной смеси вместо уже устаревших 64 горелок ДНС-150/65. Так же были установлены ролики новой конструкции, однако была сохранена существующая кирпичная конструкция футеровки и не была установлена система автоматического управления. Даже такая частичная модернизация позволила уменьшить расход топлива практически на 10%, увеличивая при этом производительность на 12-15% и значительно повышая качество нагрева металла.
В работе [4]Лисиенко В. Г. рассматривает процесс ввода в эксплуатацию новой проходной печи для термической обработки, которая выполняется с использованием в ней современных низкотеплопроводных волокнистых материалов и скоростных горелок. Исходя из приведенных данных видно, что можно добиться более равномерного нагрева (на выгрузке металла перепад по длине всей оси не превышает и 5 С) вместе с увеличением производительности печи до 25% и уменьшением удельного расхода топлива практически на 34%.
При термической обработке металла большое внимание уделяется не только вопросам, связанным с эффективностью процесса нагрева, но и регулируемому охлаждению. В частности, в большинстве современных камерных термических печах применяются алгоритмы охлаждения металла с определенной скоростью до 150 С/ч в воздушной среде при помощи продувки воздухом через горелки. В цехах, в которых производится прокат, существующие технологические процессы позволяют отказаться от применения термических печей для нагрева перед закалкой и использовать вместо этого остаточную теплоту прокатного нагрева. В качестве закалочной среды тогда применяется воздух под давлением, что позволяет достичь большей стабильности, более высокому уровню контроля, экологичности и всего процесса закалки [5].
Одним из действительно работающих способов увеличения эффективности теплообмена является струйно-факельное отопление. Такой метод отопления печей подробно описан в работе [4]. Его суть состоит в нагреве особыми струйно-факельными горелками, которые направленны непосредственно на саму садку. Коэффициенты конвективного теплообмена в таких случаях могут достигать 300 Вт/м?К. При помощи такого интенсивного нагрева удается значительно сократить время нагрева. Утилизация теплоты уходящих продуктов сгорания непосредственно в самом рабочем пространстве печи при этом, помогает обеспечить высокий КПД. В печах, в которых применяется струйно-факельное отопление, процесс сжигания топлива происходит непосредственно вблизи самих нагреваемых изделий. Это позволяет также дополнительно увеличить отдачу теплоты на металл и уменьшить тепловую нагрузку на футеровку. Как показывает опыт эксплуатации печей с таким отоплением для нагрева трубной заготовки на Северском трубном и Первоуральском новотрубном заводах эффективность данной технологии достаточно высока. Применение такой системы позволило снизить расход топлива в 1,9-2,2 раза, снизить, практически в 2 раза, количество выбросов оксидов азота, повысить производительность печи на 15%, а также значительно повысить стойкость футеровки во время нагрева.
В работе [6] рассмотрены разработанные и внедренные в производство нефутерованные печи струйного нагрева. В их конструкции произведена замена футеровки на металлическое ограждение рабочего пространства. Поверхность этого пространства является одновременно и струйно-факельной образующей, и поверхностью нагрева воздуха, который идет на горение. Применение струйного метода отопления также довольно активно используется и за рубежом в проходных и методических нагревательных печах для цветной металлургии: итальянской фирмой COIM, немецкой фирмой Otto Junker GmbH, а также в США. Тем не менее, можно отметить, что у такого метода имеет достаточно ограниченную область эффективного применения.
Использование в печах такого типа отопления позволяет обеспечить качественную тепловую обработку изделий с высокими значениями коэффициента полезного действия только нагревая круглые, либо узкие листовые изделия в печах непрерывного действия. Применение такого отопления невозможно в садочных печах, в связи с разнообразной геометрией обрабатываемых ею изделий.
Одна из самых главных проблем тепловой обработки крупногабаритных изделий – это мелкосерийный, скорее, даже штучный характер производства, что вместе со сложной геометрией и довольно большой массой металла делает практически невозможным использование высокопроизводительных непрерывно работающих печей. Для того, чтобы произвести термообработку габаритных изделий необходимо использовать камерные печи, работающие периодически. Исходя из большого количества разнообразных массивных заготовок, а также их размеров, требуется установка в цеху целого парка печей, что естественно приводит к большим затратам на их установку и обслуживание. Следовательно, в настоящее время на предприятиях часто вся номенклатура продукции обрабатывается в печах, которые проектируют под самые большие из возможных габаритов садки. Конечно, такое решение приводит к снижению КПД агрегатов и значительному перерасходу топлива, однако это позволяет экономить на затратах при покупке большого количества печей и их обслуживании.
Разработчики моделирующих программ при создании своих продуктов не достаточно ориентируются на современные технологии модуляризации (COM, CORBA) и предпочитают выполнять реализацию самостоятельно. Все модули могут быть не просто автономными, а уже традиционно считаются независимыми программными продуктами. Наиболее простой и легкий в создании модуль - математическое ядро.
В качестве примера агрегата, который имел бы возможность обработки изделий, очень сильно отличающихся по габаритам, с высокими значениями КПД, является печь с возможностью разделения рабочего пространства и выкатным подом площадью 62,8 м2 [5]. Эта печь используется для проведения термической обработки сварных изделий. На подине печи возможна установка специальной перегородки, которая позволяет разделять рабочее пространство на 2 части по 6 и 12,6 м длиной.
Если необходима тепловая обработка габаритных изделий, то используется все рабочее пространство, а в случае обработки небольшой садки, на подину ставится перегородка (часть рабочего пространства печи, которая не используется отключается при этом). В качестве футеровки стен и свода применяется специальная панельная технология из волокнистых материалов. Система отопления основана на 30 скоростных рекуперативных горелках Ecomax 5M, работающих в импульсном режиме. Также печь оборудована современной АСУ ТП (состоящей из трех уровней), которая позволяет проводить всю термообработку в полностью автоматическом режиме с поддержанием необходимой либо заданной температуры в различных виртуальных зонах управления.
Используемые в конструкции печи технологии позволили добиться равномерности нагрева в ± 3 ?С по всему рабочему пространству на этапе выдержки. В случаях работы с установленной перегородкой, температура в неиспользуемой части рабочего пространства не превышала 40 С, что обеспечивается герметичной перегородкой.
Таким образом, применение современных высокоэффективных технологий, внедрение рациональных режимов нагрева, приближение удельного расхода топлива в печах к научно-обоснованным показателям, в значительной степени, предопределяют конкурентоспособность выпускаемой продукции, уровень производства всегопредприятия и соответствие всех теплотехнических агрегатов передовым требованиям.
1. Вохмяков, А.М. Новые конструкции промышленных печей / А. М. Вохмяков, М.Д. Казяев, Д.М. Казяев, М.В. Губинский // Творческое наследие В. Е. Грум-Гржимайло : История, современное состояние, будущее : сборник докладов международной научно-практической / УрФУ. – Екатеринбург, 2014. – Часть 1.– С. 114-118.
2. Ганул, А. О. Анализ потенциала использования отходящих газов нагревательных печей / А. О. Ганул, Д. С. Мордовкин, В. И. Дождиков // Бюллетень «Черная металлургия». – 2017. – №1. – С. 92-94.
3. Суворкина, А.С. Реконструкция систем отопления методической печи с инжекционными горелками на подогретом воздухе // А.С. Суворкина, Г. М. Дружинин // Теплотехника и информатика в образовании, науке и производстве:сборник докладов V Всероссийской науч.-практ.конф., 12-13 мая 2016 г., г. Екатеринбург /УрФУ. – Екатеринбург, 2016. – С.110-113.>
4. Лисиенко, В. Г. Совершенствование и повышение эффективности энерготехнологий и производств. В 2 ч. Ч. 2. Анализ режимных параметров и конструкций в энерготехнологиях : монография / В. Г. Лисиенко. – Екатеринбург :УрФУ, 2014. – 560 с.
5. Полевой, Е.В. Внедрение экологически чистой среды для закалки железнодорожных рельсов с использованием тепла прокатного нагрева / Е. В. Полевой // Теплотехника и информатика в образовании, науке и производстве: сборник докладов V Всероссийской научн.-практ.конф.,12-13 мая 2016 г., г. Екатеринбург / УрФУ. – Екатеринбург, 2016. – С.86-91
6. Курносов, В.В. Нефутерованные печи с обогреваемым вращающимся барабаном // Теория и практика тепловых процессов в металлургии: сборник докладов международной научн.-практ.конф., 18-21 сентября 2012г., г. Екатеринбург / УрФУ. –Екатеринбург, 2012. – С.278-282.