Исследование методов охлаждения садки колпаковой печи с помощью математического моделирования

СНГ (Содружество Независимых Государств) физически изношены и морально

устарели. Переоснащение этого громадного парка (около 2400 стендов) требует

создания более гибкой технологии отжига: водородно-азотной.

Работа КП на водородной основе обеспечивает получение уникальных по

качеству поверхности свойств готового листа при низких удельных затратах

энергии и защитного газа в сочетании с высокой интенсивностью процесса.

/9/.

Печи с водородной технологий отжига выпускаются рядом успешно

осваивающих наш рынок зарубежных фирм, в их числе «Эбнер» (Австрия) и «ЛОИ»

(Германия).

В России водородные колпаковые печи (без циркуляции атмосферы),

разработанные Харьковским отделением ВНИИЭТО, работают на НЛМК при

получении электротехнических сталей /2/.

Сооружение головного образца одностопной колпаковой печи отечественной

конструкции в цехе жести Магнитогорского металлургического комбината

позволит отработать конструктивные решения узлов и систем печи,

автоматизированной системы управления температурным и газовым режимами и

автоматики безопасности и решить следующие задачи:

Увеличить производительность печи;

Улучшить качество металла;

Обеспечить возможность проведения гарантированного отжига рулонов по

заданным параметрам на требуемое качество металла;

Улучшить технико-экономические показатели работы печи.

Впервые сооружаемая одностопная двухстендовая колпаковая печь

представляет собой азотно-водородную печь, конструкция которой позволяет

проводить отжиг стопы рулонов жести по комбинированной технологии, а

именно, как по азотной, так и по водородной. Печь проектировалась с учетом

возможности реконструкции парка колпаковых печей ЛПЦ-3 ММК. Для этого

предусмотрена установка двухстендовой одностопной печи вместо действующих

трехстопных печей /3/.

Печи используются для рекристаллизационного отжига рулонов

холоднокатаной стальной полосы в атмосферах азотного или водородного

защитного газа. Рулоны массой 15 т из углеродистой стали обыкновенного

качества, качественной углеродистой, полиграфической или кинескопной сталей

с размерами полосы шириной 600-1000 мм и толщиной от 0,2 до 0,8 мм при

наружном диаметре 1860 мм (500 мм - внутренний) подвергаются отжигу при

температуре 620-710 0С в зависимости от марки металла /14/.

Печь включает: 2 стенда, нагревательный колпак, 2 муфеля, колпак

ускоренного охлаждения, 2 комплекта радиационно-конвективных конвекторных

колец, АСУ ТП (автоматизированные систему управления технологическим

процессом), в том числе и микропроцессор. В табл. 2 приведены основные

технические характеристики печи (расход топлива, приведенный к нормальным

условиям).

Таблица 2

Техническая характеристика одностопной азотно-водородной колпаковой

печи

|Наименование |Величина |

|1 |2 |

|Назначение печи |Рекристализационный отжиг рулонов в |

| |атмосфере |

| |азотного или водородного защитного газа |

Продолжение табл. 2

|1 |2 |

|Температура отжига, 0С |620-710 |

|Гарант. перепад при 100-1200С |5-10 |

|Размеры садки, мм: диаметр |1860 |

|высота |4000 |

|Масса (максимальная), т |60 |

|Производительность стенда, т/ч: | |

|- азотная технология |1,0-1,15 |

|- водородная технология |1,2-1,40 |

|Тепловая мощность | |

|нагревательного колпака, кВт |910 |

|Система отопления печи |Инжекционно-атмосферные горелки, |

| |установленные в двух уровнях по высоте |

|Топливо - природный газ |природный газ |

|- теплотворная способность, |34,12 (0,21 |

|Дж/м3 |65 |

|- давление, кПа |96 |

|- расход, куб.м/ч | |

|защитный газ |водородный |азотный |

| |(диссоц. аммиак) | |

|- состав, % |75 Н2; 25N2, |5 Н2, 95 N2, |

| |<0,001 О2 |<0,007 N2 |

|- температура точки росы, 0С |-50 |-50 |

|- расход куб.м/ч: | | |

|максимальный |20 |40 |

|средний за отжиг |4-5 |8-10 |

|- давление перед стендом, кПа |4-6 |4-6 |

Продолжение табл. 2

|1 |2 |

|Техническая вода: расход, | |

|куб.м/ч: - охлаждение |25 |

|теплообмена УБО: max |5 |

|min - охлаждение резинового |4 |

|затвора охлаждение | |

|теплообменника продувочного | |

|газа, кожуха электродвигателя | |

|цирк. вентилятора и фланца | |

|вентилятора установки быст- |2 |

|рого охлаждения |0,2 |

|- давление, МПа | |

|Электроэнергия: |380 В, 50 Гц |

|- мощность потребителей, кВт: | |

|- циркул. насос: |55/22 |

|устан./потребляем. |11/5,5 |

|- вентилятор УБО: |2 ( 3 = 6 |

|уст./потребляем. | |

|- осевые вентиляторы КУО; |2 |

|- нагреватель газопровода проду-|3 |

| | |

|вочного газа | |

|- АСУ ТП | |

|Тепловыделения в цех с учетом |116 |

|остывания стопы, кВт | |

Таблица 3

Сравнительные технические характеристики колпаковых печей ЛПЦ-5

|п/п| |ая | |величины |

| | |АКП | |параметра |

| | | |я |дная | |

|1 |Производительность, т/ч | | | | |

| |1 стенд |0,61 |1,5 |1,8 |+(0,89/1,1|

| |15 стендов АЗП |9,15 |- |- |9) |

| |8 стендов ВАКП |- |12,0 |14,4 | |

| | | | | |+(2,85/5,2|

| | | | | |5) |

|2 |Годовой фонд работы печи, ч |8400 |8400 |8400 | |

|3 |Годовая производительность, т |77800 |101800|121000|+(24000/44|

| |в т.ч. 1 группа качества |17000 | | |000) |

| |поверхности | |- |121000|+(0/104000|

| | | | | |) |

|4 |Удельный расход: | | | | |

| |топлива, к.у.т./т |50-54 |30 |20-22 |-(22/31) |

| |азотного защитного газа, м3/т |18 |5 |2 |-(13/16) |

| |электроэнергии, кВт.ч/т |26,5 |12 |8 |-(14,5/18,|

| |технически чистой воды м3/т |10 |5 |5 |5) |

| |водорода м3/т |- |- |3 |-(5/5) |

| | | | | |+(3) |

В основном колпаковые печи служат для массовой термообработки (ТО),

поэтому в печном отделении располагают большое число печей (стендов),

иногда несколько сот штук. Наиболее продолжительным в цикле термообработки

является период охлаждения, который в 2-3 раза превышает период нагрева и

выдержки. Поэтому один нагревательный колпак обслуживает несколько стендов

/1/.

Методы охлаждения металла в колпаковых печах

Колпаковые печи для светлого отжига рулонов с циркуляцией защитного

газа под муфелем получили массовое применение на металлургических заводах с

рулонным способом производства тонколистовой стали - ОАО «ММК» (ЛПЦ

(листопрокатный цех) -3, 5, 8), ОАО «НЛМК» (ЛПП). Поэтому вопросы улучшения

качества отжигаемого в печах металла и повышения их производительности

имеют первостепенное значение. Одним из важнейших условий экономичной

эксплуатации печей является ускоренное охлаждение рулонов стальной полосы.

При прочих равных условиях продолжительность цикла светлого отжига рулонов

и производительность колпаковых печей в значительной мере зависят от

времени охлаждения рулонов под муфелем.

Охлаждение рулонов под муфелем в атмосфере защитного газа происходит,

главным образом, путем конвективного обмена. Поэтому сокращение

длительности охлаждения достигают улучшением теплообмена между рулонами и

защитным газом, циркулирующим газом и стенкой муфеля, муфелем и окружающей

средой.

На принципе отвода тепла от муфеля разработаны колпаки ускоренного

охлаждения с воздушным и воздушно-водяным охлаждением.

При охлаждении муфеля на воздухе время охлаждения под муфелем намного

больше времени нагрева. Продолжительность охлаждения лимитирует цикл отжига

и производительность печей тем в большей степени, чем ниже конечная

температура охлаждения под муфелем. Допустимая температура распаковки

стенда зависит от требований, предъявляемых к качеству поверхности

отжигаемого металла. Для основной массовой продукции колпаковых печей -

холоднокатаной малоуглеродистой рулонной стали и жести - эта температура на

разных заводах колеблется в пределах 120-180 0С (по показаниям стационарной

стендовой термопары), что соответствует примерно температуре внутренних по

толщине намотки витков рулонов 150-220 0С.

Сокращение длительности охлаждения рулонов на стенде колпаковой печи

является основным резервом повышения производительности существующих

термических участков цехов холодного проката. Обобщение опыта эксплуатации

одностопных колпаковых печей, а также проведенный промышленно-расчетный

анализ, показали, что существенное уменьшение времени охлаждения рулонов

под муфелем достигается, как правило, комбинацией следующих мероприятий:

- увеличение кратности циркуляции защитного газа под муфелем путем

повышения мощности стендового вентилятора;

- использование систем активного охлаждения защитного газа путем

интенсивного (воздушного, водовоздущного, водяного) охлаждения муфеля и с

использованием выносных рециркуляционных теплообменников;

- замена традиционной азото-водородной (до 5 % Н2) атмосферы под

муфелем на преимущественно водородную (( 75 % и до 100 % Н2), в результате

этого увеличиваются конвективная теплоотдача между рулонами и циркулирующим

газом, а также теплопроводность рулона в радиальном направлении.

В отечественной практике для сокращения времени охлаждения применяют в

основном водяные холодильники защитного газа, располагаемые под стендом. В

качестве побудителя движения газа через холодильники используется энергия

стендового циркуляционного вентилятора. За рубежом для повышения

эффективности использования выносных теплообменников применяют

дополнительный вентилятор в контуре рециркуляции.

Сравнительный анализ накопленных в Стальпроекте расчетных и

экспериментальных данных позволяет установить для указанного температурного

диапазона и условий естественного охлаждения под муфелем средние

количественные соотношения, приведенные в табл. 4 /2/.

Из данных таблицы видно, что при понижении конечной температуры по

стендовой термопаре от 250 до 120 0С время естественного охлаждения

увеличивается примерно в 2 раза, а производительность печи уменьшается в

1,60-1,65 раза. Поэтому обычно стремятся снимать муфель при возможно более

высокой температуре и дальнейшее охлаждение рулонов до температуры

дрессировки (40-60 0С) проводить на воздухе (обычно вне печей на специально

отведенных участках цеха).

Однако возрастающие требования к качеству поверхности стали, отжигаемой

в колпаковых печах, ограничивают возможности увеличения их

производительности путем повышения температуры конца охлаждения. Практикой

установлено, что для достижения качества поверхности стали,

соответствующего уровню мировых стандартов, всю качественную

конструкционную сталь, автомобильный лист и жесть необходимо охлаждать до

120-140 0С, а рядовую конструкционную сталь - до 160-180 0С (по показаниям

стендовой термопары). При этих условиях лимитирующая роль естественного

охлаждения особенно велика, поэтому необходимо применять те или иные методы

принудительного ускоренного охлаждения.

Таблица 4

Характеристика работы печей при естественном охлаждении рулонов в

зависимости

от конечной температуры охлаждения

|Характеристика работы|Конечная температура охлаждения по стендовой |

| |термопаре, 0С |

|печей | |

| |120 |140 |160 |180 |200 |250 |

|Температура |140-16|170-18|190-20|210-22|240-25|300-31|

|внутренних по толщине|0 |0 |0 |0 |0 |0 |

|Число стендов на 1 |3,3-3,|3,0-3,|2,8-3,|2,6-2,|2,4-2,|2,1-2,|

|нагревательный колпак|5 |2 |0 |8 |6 |2 |

|(н | | | | | | |

|Относительная |78-80 |85-87 |92-94 |100 |105-10|125-13|

|производительность | | | | |7 |0 |

Расчетным путем и экспериментально установлено, что в колпаковых печах

с циркуляцией защитного газа под муфелем, лимитирующим звеном суммарной

теплопередачи при охлаждении рулонов является наружная теплоотдача от

муфеля к окружающей среде. Интенсификация теплоотдачи при принудительной

наружной обдувке муфеля воздухом или при его поливке водой позволяет

существенно ускорить процесс охлаждения и повысить производительность

печей. Значительного эффекта достигают также при установке дополнительных

охлаждающих элементов (например водоохлаждаемых труб) на пути

циркулирующего под муфелем защитного газа (или части газа) в выносных

трубчатых водяных холодильниках с развитой теплообменной поверхностью. Эти

методы исследованы и опробованы на отечественных заводах, что позволяет

оценить их эффективность для различных рулонов и дать рекомендации по их

промышленному использованию.

При исследовании, в зависимости от размеров рулонов автомобильного

листа, на Череповецком металлургическом заводе время охлаждения до 180 0С

при воздушной продувке менялось следующим образом (табл. 5).

Учитывая относительно небольшую эффективность этого метода, некоторые

отечественные заводы считают почти неоправданными затраты на изготовление,

освоение и эксплуатацию колпаков воздушной обдувки. Однако этот вывод можно

признать справедливым лишь для случая отжига высоких рулонов малого

диаметра, когда прирост производительности не превышает 5-6 %. Для рулонов

большего диаметра из тонкой жести при охлаждении под муфелем до 120-140 0С

воздушная обдувка позволяет повысить производительность печей на 10-15 %,

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7

МЕНЮ

Исследование методов охлаждения садки колпаковой печи с помощью математического моделирования