Выбор режимов нагрева металла

Быков В.В., Франценюк И.В. и др.

Металлургия, 1980 г.

РЕЖИМНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ИХ ОПРЕДЕЛЕНИЕ

1. РЕЖИМЫ И РЕЖИМНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Режимом работы печи называют пространственную совокупность мгновенных значений параметров. При этом обычно имеют в виду лишь параметры, существенно влияющие на работу печи. Режим называется стационарным, если значения основных параметров не изменяются во времени. В противном случае режим нестационарный.

Методические печи принято относить к печам со стационарным режимом [6, с. 23]. Однако из-за периодических простоев, изменения темпа прокатки, различия марок нагреваемого металла и по другим причинам стационарность часто нарушается, что существенно усложняет задачу управления режимом.

Для облегчения анализа работы печей используют понятия частных режимов, когда рассматривают изменение какого-либо одного параметра или небольшой группы параметров [7, с. 9]:

температурный режим (изменение температур газов, кладки и металла во времени и по длине рабочего пространства;

тепловой режим (характер изменения тепловых потоков, расходов топлива);

режим давления (характер изменения давления в рабочем пространстве) и др.

К числу основных режимных параметров относятся расход топлива, его теплота сгорания, расход воздуха, скорость продвижения металла или время нагрева, производительность, размеры заготовок, физические свойства металла, температура металла, температура печи или температура зоны и др. Первые семь из перечисленных параметров являются независимыми. Совокупность ^Их значений определяет значения остальных, зависимых параметров.

Рассмотрим более подробно некоторые из параметров и способы их определения.

Понятие «температура зоны» характеризует температурный уровень газов, кладки, металла и опорных конструкций в зоне. Оно носит условный характер. Фактически в зоне можно наблюдать бесконечное множество! значений температур. Одно значение температуры в объеме зоны возможно лишь при практически нереальном для печей термодинамическом равновесии.

В дальнейшем под температурой зоны будем понимать показания зональной термопары, или радиационного пирометра, визированного на кладку, или других датчиков температуры с аналогичными условиями измерения. Эти показания широко используются в процессе управления режимом печи.

В связи с изменением температур газов, кладки и металла по длине зон температура зоны также меняется с изменением расположения зональной термопары (радиационного пирометра). Важная роль, которую играет зональная термопара в управлении режимом зоны, обусловливает высокие требования к правильности ее показаний. Необходимо, чтобы показания зональной термопары отражали эффективный в смысле теплопередачи к металлу температурный уровень зоны в целом и не были подвержены местным, несущественным для теплообмена влияниям.

На рис. 1 приведены одновременные показания различно расположенных термопар. Места установки термопар в своде третьей зоны регулирования (вторая верхняя сварочная зона) пятизонной толкательной печи стана 2000 НЛМЗ показаны на рис. 2 (расположение зон см. гл. И). Основные рабочие термопары расположены в точках 1, 2 и 3.

Термопары, расположенные в точках 4—7, установлены перед проведением исследований температурного поля зоны [8, 9]. Опыты охватывают практически весь интервал производительности печи и расходов топлива на третью зону отопления, наблюдаемых в практике эксплуатации.

Термопара 2, по которой велось управление режимом с помощью системы стабилизации температуры, расположена вблизи корня факела центральной горелки. В связи с перегревом средней по длине части слябов подачу топлива в центральную горелку часто уменьшали  или полностью прекращали. Существенно уменьшить подачу воздуха по условиям охлаждения носика горелки невозможно. Поэтому вблизи центральной горелки образовывалась область с пониженной температурой. С увеличением производительности печи расход воздуха через центральную горелку возрастал, снижая температуру в прилегающей к ней области, что вызывало нелогичное

изменение показаний термопары 2. Аналогичное явление наблюдалось и вблизи крайних горелок, когда при нагреве коротких слябов во избежание перегрева их концов расход топлива на эти горелки уменьшался.

Длина факела для многих горелок, в частности широко распространенных горелок типа «труба в трубе», зависит от их мощности, уменьшаясь с сокращением расходов топлива и воздуха. При снижении производительности или остановке стана нагревальщики уменьшают температуры зон. С помощью системы стабилизации температуры уменьшают расход топлива, а с помощью системы соотношения топливо — воздух снижают расход воздуха. Зона горения при этом приближается к рабочим термопарам. Для выхода на новое задание по температуре зоны система стабилизации почти полностью прикрывает задвижки на газопроводе, что приводит к охлаждению зоны. В этих условиях операторы вынуждены переходить на ручное управление, увеличивать расход воздуха, повышая скорость газов в факеле и удаляя зону горения от термопар. Из-за большого избытка воздуха экономичность печи снижалась.

Термопара 7 расположена на участке с завершенным горением и перемешиванием отдельных струй. Изменения ее показаний всегда логично координировались с изменением расхода топлива. Место расположения термопары 5 соответствует положению максимума температуры факела при большой производительности горелок. Поэтому ее показания в области высоких температур превышают показания других термопар. Показания термопар 5 и 7, как видно из рис. 1, координируются достаточно хорошо. Показания же рабочих термопар не соответствуют температурному уровню в средней части и конце зоны, особенно в области высоких и низких температур, по причинам, изложенным выше.

После установки рабочих термопар вблизи термопары 7 система стабилизации температуры в зоне и система соотношения топливо — воздух обеспечивают нормальное регулирование во всем диапазоне расхода топлива.

При использовании инжекционных горелок участок с максимальной температурой находится вблизи фронта горелок. Поэтому и термопары должны быть расположены ближе к горелкам, чем в случае применения дутьевых горелок [10, с. 205].

В нижних зонах печей измерение температур дополнительно осложняется отсутствием свода, наличием водоохлаждаемых труб и присоса холодного воздуха, а в печах с шагающими балками — боковой установкой горелок и отсутствием пережимов между зонами.

Наибольшее влияние на состав и температуру продуктов сгорания подсосы воздуха оказывают в нижней части зоны с относительно слабым движением газов и вблизи горелок, в связи с местным понижением давления у корня факела. Измерения состава продуктов сгорания в первой иижней сварочной зоне (вторая зона регулирования) печи № 2 стана 2000 НЛМЗ дали следующие результаты: в средней по длине части зоны на расстоянии 1350 мм от уровня пода среднее содержание кислорода (из семи измерений) составило 7,3%, а на выходе из зоны ниже уровня пода на 735 мм — всего лишь 1,9%. Очевидно, что термопары, установленные в этих двух точках, показали бы различные значения температуры. В первой точке, т. е. в нижней части зоны вблизи боко- вон стены, температурный уровень зоны искажается подсосами воздуха.

В нижних зонах толкательных печей стана 2000 НЛМЗ термопары первоначально были установлены на расстоянии 2 м от торцовой стены во второй и 1,75 м в четвертой зонах регулирования на 735 мм ниже уровня пода. При этом термопара второй зоны омывалась потоком продуктов сгорания из четвертой зоны, а термопара в четвертой зоне находилась в циркуляционной области, образованной факелом крайней горелки и охлаждаемой воздухом подсосов. Это приводило к слабой реакции обеих термопар на возмущения по расходу топлива в зоне. Последующая установка термопар в средней по длине части зон на том же горизонтальном уровне повысила их реакцию и обеспечила удовлетворительные условия регулирования.

При установке термопар в боковых стенах нижних зон печей с шагающими балками они неизбежно попадают в циркуляционные зоны, образованные факелами боковых горелок. Неудовлетворительная работа термопар, установленных в боковых стенах печей с шагающими балками НЛМЗ, выявившаяся в первые же дни их эксплуатации и выразившаяся в слабой зависимости их показаний от производительности ближайших горелок, заставила вести поиски нового способа измерения температур в нижних зонах. На печах НЛМЗ по предложению Стальпроекта опробовано измерение температуры н нижних зонах радиационным пирометром с визированием его на специально установленные в зонах огнеупорные стенки. На печах с шагающими балками ЧерМЗ температуру измеряют термопарами, спай которых расположен в каналах специально выложенных огнеупорных стенок.