Индукционный нагрев труб
Бодажков В.А.
Машиностроение, 1969 г.
ИНДУКЦИОННЫЙ НАГРЕВ В ТРУБНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ
ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ ПРИМЕНЕНИЯ ИНДУКЦИОННОГО НАГРЕВА
Нагрев металлов является важнейшей частью технологического цикла обработки металлов в металлургическом производстве. Этот процесс является наиболее энергоемким (около 80% всех энергозатрат в отечественной промышленности) и трудоемким. С ним сопряжены наиболее тяжелые условия труда. Вторую особенность составляет чередование операций в едином потоке. Однако эта непрерывность нарушается или необходимостью очистки от окалины и обезуглероженного слоя, или необходимостью подогрева, а также повторного (очередного) нагрева, если печь не может быть встроена в технологическую линию.
Технологическое оборудование постоянно совершенствуется и наращивает мощность благодаря применению новых материалов, новых приемов, а также автоматизации. Как правило, тормозом в наращивании мощности агрегатов и автоматизации процессов является печное хозяйство. Именно поэтому все большее внимание обращается на новые методы нагрева с наименьшими
угаром металла и обезуглероживанием. Только этой статьей расхода могут окупиться значительные затраты на модернизацию существующих печей и строительство новых типов печей (скоростного и безокислительного нагрева). Удельный вес электронагрева металла под обработку давлением неуклонно растет [8].
Рассмотрим пламенные (камерные, методические и секционированные) и индукционные печи, основываясь на трех основных условиях: обеспечение скоростного нагрева» уменьшение угара металла и обезуглероживания и обеспечение механизации и автоматизации процесса. Сравним также удельные затраты на нагрев металлов при различных методах нагрева.
Камерные печи (мазутные или газовые).В литературе достаточно обобщен опыт работы камерных печей [12; 14; 25; 42] и намечены мероприятия по улучшению их работы. Однако в настоящее время в камерных печах ни одно из трех поставленных условий не может быть выполнено.
Полуметодические или методические печи.Известны попытки обеспечения безокислительного нагрева за счет неполного сжигания топлива, а следовательно, его повышенного расхода и автоматизации процесса нагрева [18; 29]. Реализация указанных попыток затруднена главным образом тем, что для поддержания стабильного режима нагрева необходимо автоматически воздействовать одновременно на элементы подачи как воздуха, так и топлива, а также на открывание заслонок рабочих окон, на шибера перед рекуператорами. Горелки и форсунки требуют настройки каждой из них, либо они имеют разные параметры при одной конструкции (не налажен их серийный выпуск). В процессе работы параметры горелки меняются, требуется систематическая дополнительная регулировка. При неполном сжигании топлива для визуальной проверки режима работы горелки необходимо менять длину факела, чтобы увидеть результаты ее работы. Групповая регулировка горелок по этим причинам тем более не дает необходимой точности соблюдения режимов горения. Недолговечность футеровки, иногда выпучивание заготовок и необходимость выравнивания потока заготовок в средней зоне печи, а также неизбежный сбив окалины с заготовки при ее перемещении не позволяют обеспечить поставленные условия. Это объясняется тем, что почти каждая печь проектируется применительно к какой-то вынужденной планировке. Поэтому все питательные тракты, взаимное расположение горелок и отводов горячих газов, дымоходов в точности у печей не повторяются. Процесс горения, движения газов и теплообмен при разной светимости, характере и длине факела — сложный процесс. Точно учесть его в одной печи и перенести на другую практически невозможно. Чтобы достичь ее проектных показателей, для каждой печи требуется тщательная наладочная работа. Но и этим не исчерпывается ее характеристика, так как фактические показатели печи зависят от квалификации обслуживающего персонала. Тяжелые условия работы около пламенной печи общеизвестны. Также следует отметить невозможность встраивания рассмотренных типов печей в технологическую линию обработки металла давлением без нарушения ее непрерывности. Загрузка и выгрузка металла, как правило, не автоматизированы.
Секционированные скоростные газовые печи. Это наиболее современные и совершенные типы пламенных печей. Между секциями печи расположены водоохлаждаемые ролики. Для обеспечения поступательно-вращательного движения заготовок они расположены под углом к оси заготовки.
Характерный тепловой режим секционированной печи приведен на рис. 20, из которого видно, что скоростной нагрев в ней осуществлен не в достаточной мере: в начале нагрева тепловой поток в заготовку можно было увеличить. Однако это не позволяет сделать недостаточная термическая устойчивость футеровки, а также усиленное расплавление окалины, которая зашлаковывается на футеровке, закрывает течки к лоткам тоннеля гидросмыва окалины, ролики заплавляются «мокрой» окалиной. В результате заготовка заклинивает и перегорает, если не осуществлять постоянный надзор. Ролики через два месяца протачиваются, а через год полностью выходят из строя. Срок службы силлиманитовой футеровки четыре-пять месяцев, несколько выше у хромомагнезитовой или магнезиальносиликатной. Работы по шлакоотталкивающим жароупорам до сих пор не увенчались успехом. Ведутся опыты по применению жаропрочных бетонов. Температура в зоне обслуживания печи 70—80° С, шум печи превосходит санитарные нормы (120 дб). В печах такого типа обычно намечается контроль расхода топлива и воздуха на каждую зону и расхода топлива в целом на печь; контроль газа и воздуха в коллекторных печах и печных газов в рабочем пространстве; контроль температуры стенок секций, поверхности заготовки первых и средних зон, дымовых газов на выходе из рекуператоров. Предусматриваются управление дымовым шибером и полным или частичным сбросом газовой нагрузки печи; блокировки между шиберами дымовой трубы, котла-утилизатор а и направляющим аппаратом дымососа, а также автоматическая регулировка давления в рабочем пространстве печи; позонно регулировка соотношения газ—воздух, тепловой нагрузки всей печи и положения дымовых шиберов, отсечки при падении давления газа или воздуха. Однако регулирование затруднено рядом причин: изменением давления и состава топлива на газорегулировочном пункте; необходимостью ручной подстройки горелок по секциям; разными потерями напора на регулирующих участках газопроводов зон (байпасах) и на подводах к горелкам; ненадежностью работы запорной и регулирующей аппаратуры (вследствие высоких температур и конструктивных недостатков); разной температурой воздуха после рекуператоров; неритмичностью работы стана, вызывающей необходимость неоднократной визуальной и ручной подгонки температурного режима; забивкой воздушных выходных отверстий горелок окалиной и несимметричностью отверстия сопла в результате его вывинчивания и т. д.
В результате остается необходимость ручной регулировки, так как при автоматической регулировке в секциях с одинаковой газовой нагрузкой разность температур в лучшем случае достигает 160° С. Копоть, окалина и факел не дают фиксировать фактическую температуру заготовки. Радиационные пирометры находятся в тяжелых термических условиях. Карбофраксовые стаканы оказываются на разной глубине заложения в футеровке и дают разную температуру. Футеровка некоторых секций быстро разрушается (особенно нижними факелами). Каркасы секций и тамбуров деформируются и выгорают. При форсированном режиме работы (рис. 20) «мокрой» окалины будет еще больше и срок службы элементов печи сократится. Наиболее эффективная мера увеличения надежности работы печей — снижение температуры печи и встраивание индукционной печи в конечной стадии нагрева.
Оценка индукционных печей по большой стоимости преобразователей и затрачиваемой на нагрев электроэнергии по сравнению со стоимостью газа не совсем правильная и объясняется малым количеством работающих индукционных печей [40; 41].
Главными особенностями, отличающими индукционные печи от пламенных, являются: практическое отсутствие обезуглероженного слоя на нагретом металле; высокие скорости нагрева за счет генерирования тепла в самом металле; высокие надежность, долговечность и ремонтоспособность; управляемость только по одному легко регулируемому параметру (напряжение на индукторе) и малая тепловая инерционность; наилучшие санитарно-гигиенические условия труда; возможность встраивания в технологическую линию.
Камерным пламенным печам соответствуют индукционные садочные (группа I), а методическим или секционированным — проходные индукционные печи (группа II).
Печи сопротивления не рассматриваются ввиду недостаточной механической прочности нагревателей из сплава ЭИ-626, карборунда, дисилицида молибдена и крептола, обеспечивающих температуру нагрева 1250°