Расчет нагревательных и термических печей: Справочник.
ред. Тымчак В. М. , Гусовский.В. Л.
Металлургия, 1986 г.
ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ
1.1. Назначение нагревательных печей
Нагревательные печи непрерывного действия предназначены для нагрева металла перед горячей обработкой давлением. В прокатном и трубопрокатном производстве черной металлургии основными типами нагревательных печей непрерывного действия являются толкательные печи, печи с шагающим подом и шагающими балками, кольцевые печи.
В этих печах обычно нагревают для сортовых станов прямоугольную (квадратную) заготовку и блюмы толщиной 60—400 мм, шириной 60—400 мм и длиной 1—12 м; для листовых станов —слябы толщиной 90—350 мм, шириной 400—2000 мм и длиной 1—12 м; для прокаткитруб — круглую заготовку и слитки диаметром от 40 до 600 мм и длиной 1—12 м, а также трубы и трубную заготовку.
1.2. Рекомендуемые температуры нагрева
Температура нагрева под прокатку зависит прежде всего от качества нагреваемого металла. Так, температура нагрева легированных и качественных сталей 1060—1200 °С, рядовых сталей 1200—1250 °С, металла непрерывной разливки 1250—1280 °С, трансформаторной стали при сульфидном варианте 1280—1300 °С. Для легированных и качественных сталейтемпературы нагрева под прокатку в „соответствии с технологическими инструкциями металлургических заводов Советского Союза приведены в табл. 1.1.
Значение температуры нагрева для каждого конкретного случая задается в зависимости от технологии прокатки, характеристики стана, величины обжатия, расстояния от печи до стана. Так, при прокатке на листовых станах требуется температура нагрева на 25—30 °С выше, чем при прокатке на сортовых станах.
Конечный перепад температур по сечению также зависит от вида металла и условий его прокатки и должен задаваться технологами. Для прикидочных расчетов принимают перепад температур в металле порядка 15—20 °С на 100 мм расчетной толщины нагреваемого металла.
1.3. Особенности учета конвекции
Для выполнения технологических требований в нагревательных печах непрерывного действия осуществляют высокотемпературный нагрев металла в продуктах сгорания топлива при температуре газов в конечных зонах нагрева до 1300—1400 СС
При высоких температурахтеплопередача к металлу происходит в основном излучением, а доля конвекции составляет 2—10 %. Причем из-за сложного профиля печи, неравномерности температур, особенностей укладки металла, действия сожигательных устройств движение газов в печи носит чрезвычайно сложный характер и определение коэффициентов конвективной теплоотдачи представляет большую трудность.
3.2. Расчетная схема нагрева металла
При составлении расчетной схемы нагрева учитывают систему раскладки металла в печах с шагающим подом и шагающими балками.
Металл большой ширины, например слябы, укладывают в этих печах вплотную, поэтому нагрев- металла так же, как и в толкательных печах рассматривают как нагрев неограниченной пластины.
Заготовки с сечением, близким к квадратному, укладывают в этих печах с зазором для улучшения условий их нагрева. При этом учитывают нагрев заготовок с боковых сторон, т. е. в печах с шагающим подом рассматривают нагрев заготовок как трехсторонний, а в печах с шагающими балками — как четырехсторонний. В печах с шагающим подом иногда греют круглые заготовки, укладываемые с зазором. Нагрев круглых заготовок в этом случае рассматривают как всесторонний нагрев цилиндра.
Учитывая условия нагрева и теплотехнический режим в печи с шагающим подом или шагающими балками, расчетную схему нагрева в зонах принимают в соответствии с табл. 3.1.
КОЛПАКОВЫЕ ПЕЧИ
Характеристика печей
В колпаковых печах садку, установленную на стенде и закрытую муфелем, подвергают светлой термической обработке, включающей периоды нагрева, выдержки и охлаждения. В периоды нагрева и выдержки на стенд устанавливают нагревательный колпак, в котором имеются горелки. Под муфель подают защитный газ с принудительной циркуляцией для ускорения и повышения равномерности нагрева.
После окончания периодов нагрева и выдержки нагревательный колпак снимают и переносят на следующий стенд, а садка под муфелем начинает охлаждаться. Для ускорения охлаждения применяют различные средства: поливку муфеля водой, обдувкумуфеля воз-духом под колпаком ускоренного охлаждения, охлаждение защитного газа в водяных холодильниках и т. д.
Основная область применения колпаковых печей — светлая термическая обработкарулонов стальной полосы. В колпаковых печах подвергают также термообработке стопы листов, пакеты прутков, бунты проволоки, сортовой прокат и т. д. В основном колнаковые печи применяют в тех случаях, когда продолжительность циклатермообработки очень велика. Наиболее продолжительным в циклетермообработки является период охлаждения, который в 2—3 раза превышает период нагрева и выдержки. Поэтому один нагревательный колпак может обслуживать несколько стендов.
Колпаковые печи классифицируют по количеству стоп (из листов, рулонов, бунтов) металла, которые располагают на одном стенде и накрывают одним колпаком: одно-, двух-, трехстопные, многостопные. Основным типом печей является одностопная печь для отжигарулонов полосы,
Колпаковые печи служат для массовой термообработки, поэтому в печном отделении располагают большое число печей (стендов), иногда несколько сот штук.
НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ КОЛОДЦЫ
ЮЛ. Характеристика нагревательных колодцев
Нагревательные колодцы служат для нагрева слитков перед обжимными станами (блюмингами и слябингами). В них нагревают слитки массой от 2—3 до 25 т и толщиной от 350— 400 мм и более. В каждый нагревательный колодец сажают от 4 до 24 слитков, которые устанавливают в вертикальном положении вдоль боковых стен. число и расположение слитков в колодце зависят от размеров слитков и рабочего пространства нагревательного колодца. Слитки в колодец загружают только после того, как вся предыдущая садка выдана. В нагревательные колодцы поступает значительная часть (до 95 %) слитков горячего посада с температуройповерхности 950— 1000 °С. При этом слиток имеет жидкую сердцевину.
10.2. Классификация колодцев
Нагревательные колодцы классифицируют по способу отопления. Наиболее старыми колодцами являются регенеративные, в которых подогретые в регенераторахвоздух и газ подают в рабочее пространство попеременно с двух сторон. Рабочее пространство колодцев имеет ширину 2,1—2,3, длину 3,1—5,7 и глубину 3,15—3,4 м. Колодцы объединяют в группы по четыре колодца в каждой.
Более поздней конструкцией являются рекуперативные колодцы с отоплением из центра пода, имеющие размеры рабочего пространства в плане близкие к квадратным. Горелка размещается в центре пода, а слитки — вокруг нее по периметру стен. Колодцы имеют ширину рабочего пространства 4,6—4,8, длину 4,83—5,1 и глубину 3,1—3,3 м. Два колодца составляют группу.
Наиболее современной конструкцией нагревательных колодцев являются рекуперативные колодцы с одной верхней горелкой. Они имеют удлиненную форму, Горелка устанавливается в верхней части торцевой стены, а слитки размещаются в один ряд вдоль боковых стен. Крупные колодцы имеют ширину рабочего пространства 3,3, длину 9,85 и глубину 4,4 м. Группа состоит из четырех колодцев.
10.3. Температура нагрева слитков и в рабочем пространстве
Температура нагрева слитков под прокатку зависит прежде всего от качества нагреваемого металла и соответствует температуре нагрева под прокатку в непрерывных нагревательных печах (см. разд. 1.2 и табл. 1.1). Температуру в рабочем пространстве колодца принимают на 50-—100 °С выше конечной температуры нагрева поверхности слитков.
10.4. Режим нагрева слитков, температурный и тепловой режимы работы колодца
Режим нагрева слитков состоит из периода собственно нагрева до достижения заданной температурыповерхности слитков и периода выдержки или томления при постоянной температуреповерхности металла.
За время выдачи нагретых слитков и загрузки новой садки кладка рабочего пространства колодца сильно охлаждается. Поэтому температураповерхности слитков горячего посада в первый период оказывается близкой к температуре кладки. Существенным потребителем тепла в этот период является кладка. Затем кладка прогревается и увеличивается доля тепла, поглощаемого металлом. Причем, поверхность слитка нагревается как за счет теплообмена в рабочем пространстве печи, так, и за счет тепла, поступающего - от более горячей сердцевины слитка.
В период выдержки расход тепла минимален, температураповерхности слитка не меняется и происходит выравнивание температур по сечению слитка. Температурный и тепловой режимы работы нагревательного колодца при нагреве слитков горячего посада приведены на рис.
Практические данные о продолжительности нагрева слитков
Расчет теплообмена в рабочем пространстве нагревательного колодца представляет большие трудности из-за неравномерности температурыпродуктов сгорания в объеме колодца и нерегулярности расстановки слитков на поду колодца.
Особенности теплообмена
При нагреве металла в колпаковой печи тепло к наружной поверхностисадки передается излучением от муфеля и конвекцией от защитного газа, а к наружной поверхностимуфеляизлучением и конвекцией от продуктов сгорания и излучением от кладки нагревательного колпака. При охлаждении, наоборот, тепло от садки передается конвекцией к защитному газу и излучением к муфелю, а от муфеля в окружающую среду.
В дальнейшем рассматривается, как наиболее разработанная, методика расчета нагрева и охлаждениярулонов стальной полосы в одностопных колпаковых печах. Схема такой печи приведена на рис. 12.1.
Под муфелем размещают несколько рулонов по высоте. Циркуляционный вентилятор подает защитный газ снизу в зазор между муфелем и рулонами. Для доступа защитного газа к торцевым поверхностямрулонов между ними устанавливают конвекторные кольца, в которых имеются каналы переменного сечения. Через эти каналы защитный газ попадает во внутренние полости рулонов, омывает их и возвращается в циркуляционный вентилятор.
Исследования таких печей показали, что в наихудших условиях нагрева и охлаждения находится нижний рулон, поэтому все расчеты теплообмена производят применительно к нижнему рулону.
18.2. Расчет
керамических рекуператоров
Керамические рекуператоры применяют для нагрева воздуха до высоких температур (500—900 °С). Достоинствами керамических рекуператоров являются длительный срок службы и сравнительно низкие потеридавления по путидвижениявоздуха и продуктов сгорания. Основным недостатком керамических рекуператоров является их неплотность. По этой причине их не применяют для нагрева газа. Получили распространение два типа керамических рекуператоров: из блоков и с вертикальными трубами.
Конструкция рекуператора из блоков и размеры насадки в зависимости от варианта исполнения приведены на рис. 18.2, а фасонные огнеупорные кирпичи из шамота, применяемые для кладки насадок, показаны на рис. 18.3.