Улучшение качества нагрева садки и топливоиспользования в камерных термических печах периодического действия

Проблемы техники и технического црогресса всегда были в центре внимания нашей партии. В. И. Ленин неоднократно указывал на первостепенное значение технического прогресса в развитии экономики страны. Ленинские положения о техническом прогрессе получили дальнейшее развитие в решении съездов партии, Пленумов ЦК КПСС, постановлениях ЦК КПСС и Советского правительства.

В Резолюции ХХУ1 съезда КПСС сформулированы задачи дальнейшего развития социалистического цроизводства, повышения его эффективности, ускорения научно-технического црогресса и роста цроизводительности труда / I /.

В области черной металлургии много внимания уделяется повышению качества проката. С этой целью увеличивается выпуск стали в термически обработанном виде, для чего намечено построить новые и расширить действующие термические цеха.

В «Заявлении Совета Министров СССР о его предстоящей деятельности» на первой сессии Верховного Совета СССР одиннадцатого созыва /2 / указано: «Делом первостепенной важности является экономия сырья, материалов, топлива и энергии. Уже в ХП-й пятилетке должно быть достигнуто заметное снижение энергоемкости и металлоемкости. В соответствии с Энергетической црограммой будет развиваться и совершенствоваться топливно-энергетическое хозяйство страны» .

На встрече с рабочими московского металлургического завода «Серп и молот» / 3 / товарищ К. У. Черненко сказал: «.проведение курса на усиление режима экономии везде и во всем даст ощутимые результаты. В первую очередь нужно максимально ускорить разработку и внедрение энергосберегающей техники и технологии.» .

Существующее положение таково, что начиная с 1973 года, наблюдается постоянный рост цен на все виды топлива. Предполагается, что к 1995 году стоимость газообразного топлива достигнет трехкратного значения его стоимости в настоящее время.

Энергетический дефицит и со1фащение поставок топлива заставили покупателей и производителей печного оборудования больше внимания уделять экономии энергии / 4−8 /.

В машиностроении парк камерных термических печей состоит примерно на 70 $ из печей периодического действия, из них 60% - со стационарным подом.

Большая часть камерных термических печей была спроектирована и построена в период, когда цены на топливо не являлись важным фактором. В камерных печах расхочется до 400 кг усл. топл. на I т металла. С уходящими газами теряется более 50 $ тепла. Тепло уходящих газов с температурой 500−800°С зачастую не утилизируется.

Несмотря на некоторые усовершенствования, камерные термические печи в подавляющем большинстве случаев работают с низким КПД, величина которого составляет 10−15 $. Как правило, в таких печах используют наиболее ценные сорта топлива. Поэтому воцрос экономии топлива в них весьма актуален.

Настоящая работа посвящена исследованию садочных камерных термических печей периодического действия, повышению их экономичности и улучшению качества нагрева садки. В частности, рассмотрен вопрос снижения потерь тепла путем регулирования давления в рабочем пространстве с целью минимизации коэффициента расхода воздуха. Актуальность проблемы управления цроцессом сжигания топлива объясняется тем, что с повышением избытка воздуха увеличиваются потери тепла с отходящими продуктами горения, ухудшаются условия теплообмена, понижается производительность печи и, в конечном итоге, увеличивается расход топлива,.

В настоящей работе решаются следующие научно-технические задачи:

— на основе теоретического и экспериментального исследования тепловой работы термических печей с различными системами отопления провести анализ качества нагрева садки и топливоис-пользования, наметить рациональные пути реконструкции печей;

— разработать и внедрить в производство эффективные устройства для регулирования давления в рабочем пространстве печи с целью устранения неорганизованных подсосов холодного воздуха.

При цроведении исследований использовались современные методы математического и физического моделирования. Для выполнения расчетов црименялась ЭЦВМ ЕС-1050.

Работа состоит из четырех глав.

В первой главе рассмотрены и проанализированы основные причины повышенного расхода топлива в камерных печах. Дана оценка технического уровня термических печей периодического действия и предложения по его повышению.

Во второй главе решение поставленной задачи обосновывается математическим моделированием сопряженных температурных полей газов, кладки и металла в камерной печи периодического действия. Расчеты на ЭЦВМ позволяют значительно сократить время выбора режима работы печей и дорогостоящие исследования в промышленных условиях. На модели исследованы варианты работы печи с подсосами холодного воздуха в рабочее пространство печи и без них (с различными коэффициентами расхода воздуха), с различной температурой печи в момент посада, с утилизацией тепла уходящих газов и без нее.

В третьей главе рассмотрено физическое моделирование и предложена методика расчета струйных затворов в дымоотводящих каналах печей периодического действия.

В четвертой главе описаны теплотехнические испытания термической печи периодического действия, цроведенные с целью проверки адекватности разработанной во второй главе математической модели, а также внедрение струйных затворов, позволивших снизить удельный расход топлива.

Работа выполнена в 1980;1983 годах в лабораториях кафедры теплотехники и автоматизации металлургических печей Днепропетровского металлургического института имени Л. И. Брежнева, а также на термических печах стана «450» предприятия ц/я А-1950.

Материалы и разработки, описанные в диссертации, были доложены на 2-х Всесоюзных научных конференциях, опубликованы в 4-х статьях.

Новизна технического решения конструкции печи со струйными затворами подтверждается авторским свидетельством на изобретение / 9 /.

I. ИССЛЕДОВАНИЕ И АНАЛИЗ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ КАМЕРНЫХ ТЕРМИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ С РАЗЛИЧНЫМИ СИСТЕМАМИ ОТОПЛЕНИЯ И ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ИХ ЭКОНОМИЧНОСТИ И КАЧЕСТВА НАГРЕВА САДКИ.

Камерные садочные печи могут иметь стационарный или периодический (циклический) режим работы.

В периодически работающих печах загрузка, нагрев (отжиг) и выдача металла осуществляется партиями (садками). Холодная садка помещается в печь, кладка которой охладилась после цре-дыцущего цикла и разогревается одновременно с металлом. На аккумуляцию тепла кладкой может затрачиваться до 20−25 $ в отличие от печей со стационарным режимом работы.

Режим работы печи периодического действия во многом определяется технологическими требованиями к свойствам нагреваемого (отжигаемого) металла. Температура газов в рабочем црост-ранстве меняется во времени = ^ [Я^). Для равномерного нагрева (отжига) металла в камерной печи периодического действия необходимо, чтобы тепловой поток по всей поверхности металла был одинаков. Это условие выполняется только в идеальных печах.

Необходимы повышение эффективности и качества работы камерных печей периодического действия, что невозможно без совершенствования их тепловой работы и конструкций.

Настоящая глава включает обоснование данного направления, материалы промышленных исследований, обобщение и оценку полученных результатов.

4.3. Выводы.

1. С целью ликвидации подсосов холодного воздуха на термической печи № 4 стана «450» цеха 20 предприятия п/я А-1950 внедрено автоматическое регулирование давления в рабочем пространстве путем подачи вентиляторного воздуха на струйные затворы, установленные в дымовых каналах.

Разработанный способ термообработки металла с применением струйных затворов защищен авторским свидетельством СССР Ж10 143 совместно с п/я А-1950 / Приложение 7 /в.

2. В процессе цромышленных испытаний термической печи $ 4 стана «450» был проведен сравнительный анализ ее работы до и после внедрения воздушных затворов. Работа печи Ш 4 с автомати.

Действительный режим отжига стали ШХ15 на реконструированной термической печи № 9 стана «450» юоо ю зо зо ьо.

ВретЯ отжиеа, ч.

Показания терюпар:

50 58.

— о.

— Аверх садкитемпература под сводом;

X — низ садкибоковая поверхность садки ческим регулированием давления при помощи воздушных затворов показала, что уменьшение подсосов воздуха позволяет уменьшить удельный расход топлива на термообработку металла примерно на 50 кг усл.топл./т (см. рис. 4.5). Таким образом, экспериментально подтверждена эффективность внедрения системы регулирования давления в печи № 4 струйными воздушными затворами. Экономический эффект от снижения удельного расхода топлива составил более II тыс. рублей на две печи.

3. Систему регулирования давления в печи воздушными затворами целесообразно применять на печах, не имеющих централизованного отвода дымовых газов. Она проста в конструктивном отношении и может быть использована в любом диапазоне температур, в случае загрязненности отходящих газов.

4. В результате реконструкции системы отопления печи типа 2 (печь № 9 стана «450») по унифицированной схеме, описанной в главе I, улучшилась равномерность режима отжига ответственных марок стаж.

5.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Современной тенденцией в развитии металлургической теплотехники является поиск путей интенсификации и оптимизации работы печей с целью снижения расходов топлива при условии выполнения главного требования — стандартности и точности нагрева изделий.

Настоящая работа посвящена исследованию садочных камерных термических печей периодического действия с целью повышения качества отжигаемого металла и улучшения топливоиспользования в этих печах.

В работе получены следующие научные результаты:

I. На основе экспериментального исследования тепловой работы трех типов камерных термических печей периодического действия сделан сравнительный анализ совершенства системы их отопления. Система отопления печи типа I является наиболее совершенной, посколыу обеспечивает необходимое качество нагрева садки по условию достижения заданной температуры по всей ее массе (стандартный нагрев) и как следствие — позволяет получить требуемые физико-механические свойства прутков стали ШХ15 после отжига. Печь типа 2 не обеспечивает требуемую технологией равномерность нагрева ответственных марок стали в основном из — за концентрированного подвода продуктов горения под садку, то есть в связи с неудовлетворительными условиями внешнего теплообмена. Печь типа 3 отличается чрезмерно массивной садкой (до 50 т), в результате чего имеет неудовлетворительные условия внутреннего теплообмена.

Таким образом, наилучшее качество нагрева садки достигается в печи типа I благодаря распределенному подводу и отводу продуктов горения топлива.

2. Проведен анализ топливоиспользования и намечены рациональные пути реконструкции термических печей периодического действия стана «450» п/я A-I950, не имеющих централизованного отвода дыма.

Основным недостатком печи типа I является низкий КПД по топливу, составляющий 8−11%. Определены основные причины повышенного расхода топлива:

— подсос холодного воздуха в печь в периоды выдержек из-за отсутствия устройств для регулирования давления газов в печи, вследствие чего нарушается оптимальное соотношение газ-воздух, возрастают потери тепла с уходящими газами;

— отсутствие утилизации тепла уходящих из печи газов;

— наличие теплоемкой системы подподовых топок, которые в 1 конце отжига охлаждаются вместе с садкой путем продувки венти — ! ляторным воздухом.

Предложено на печах без централизованного отвода дыма устанавливать в дымоотводящих каналах струйные затворы для peiyлирования давления в рабочем пространстве с целью ликвидации подсосов холодного воздуха и, как следствие, снижения расхода топлива.

В связи с этим разработан новый способ тердической обработки металла (A.c. Л I0I0I43) в печах периодического действия с применением струйных воздушных затворов, которые помимо регулирования давления в рабочем пространстве печи позволяют охлаждать садку без охлаждения подподовых топок и уменьшить расход тепла на их разогрев.

Для печи типа 2 предложен вариант реконструкции системы отепления с распределенным вводом продуктов горения и с применением системы струйных затворов. Для печи типа 3 рекомеццовано уменьшить массу садки за счет расширения вертикального зазора между двумя частями садки вдоль продольной оси печи.

3. Разработана математическая модель (алгоритм и программа) тепловой работы термической печи периодического действия с заданным нестационарным температурным режимом отжига стали. Модель описывает сопряженные температурные поля газов, кладки и массивной садки металла в процессе разогрева печи и выдержки при заданных температурах. Расчеты на ЭЦВМ температурных полей подтвердили адекватность модели реальным условиям эксплуатации термических печей, которые были установлены при промышленных испытаниях.

Новым элементом в разработанной математической модели является применение экономичного численно-аналитического метода решения задач теплопроводности для наховдения сопряженных температурных полей металла и двухслойной кладки, учитывающего нелинейность граничных условий и изменение теплофизических свойств металла и слоев кладки в зависимости от их среднемассовой температуры.

4. Расчет различных режимов работы термической печи позволил дать обоснованный прогноз эффективности намеченных мероприятий по модернизации печей и их эксплуатации. В частности, установлено, что уменьшение времени охлавдения печи между циклами и, как следствие, повышение температуры внутренней поверхности кладки в момент посада с 500 до 700 °C снижает расход топлива за цикл примерно на 25 $.

Ликвидация подсосов воздуха и организация оптимального режима сгорания топлива по расходу воздуха уменьшает удельный расход топлива по расчету примерно в 1,7 раза при обеспечении заданного качества отжига металла по уровню физико-механических свойств. В частности, при начальной температуре кладки 600 °C удельный расход топлива снижается со 180 до 100 кг усл.топл./т.

Подогрев воздуха, подаваемого на горелки, до 250 °C за счет утилизации тепла уходящего дыма одновременно с оптимальным режимом сжигания топлива позволит снизить расход топлива до 70 кг усл.топл./т.

Таким образом, результаты математического моделирования подтвердили эффективность намеченных мероприятий по экономии топлива, прежде всего автоматического peiy-лирования давления, и показали необходимость разработки и внедрения устройств (в частности, струйных затворов) для поддержания давления в печи на атмосферном уроше.

5. Проведено физическое моделировнние струйных затворов для термических печей периодического действия. Выбран метод «холодного» моделирования при котором сила тяги дымоотводящего канала заменяется статическим давлением вентилятора. Физическое моделирование подтвердило возможность управления давлением в печи с псмощью струйных воздушных затворов.

В результате моделирования взаимодействия движения «дыма» в канале термической печи периодического действия и запирающей воздушной струи определено аэродинамическое соцротивлшие струйного затвора. Исследованы условия работы затвора, исключающие попадание холодного воздуха через дымоотводящие каналы в рабочее пространство печи. Определена предельно допустимая скорость воздуха в сопле затвора по условию опрокидывания тяги.

Установлено, что сопротивление затвора возрастает с увеличением расхода (скорости) воздуха в сопле и слабо зависит от расхода (скорости) дымовых газов. Наибольшее сопротивление движению дыма оказывает встречная вертикальная воздушная струя. Сопротивление горизонтальной струи воздуха в дымовом канале в 1,5−2,0 раза меньше.

На основе теоремы импульсов Эйлера предложена методика расчета струйных затворов. Расчетное значение сопротивления затвора отличается от экспериментального не более чем на 13 $. В результате исследований определены параметры струйных затворов: диаметр сопла, скорость и расход воздуха, давление воздуха в коллекторе — для печи Л 4 стана «450» .

6. На термической печи Л 4 стана «450» цеха 20 предприятия п/я А-1950 внедрено автоматическое регулирование давления в рабочем пространстве путем подачи вентиляторного воздуха на струйные затворы, установленные в 18-ти дымовых каналах.

Работа печи Л 4 с автоматическим регулированием давления при помощи воздушных затворов показала, что уменьшение подсосов воздуха позволяет снизить удельный расход топлива на термообработку металла примерно на 50 кг усл.топл./т.

Таким образом, экспериментально подтверждена эффективность внедрения системы регулирования давления в печи струйными воздушшми затворами.

Систему регулирования давления в печи воздушными затворами целесообразно применять на печах, не имеющих централизованного отвода дымовых газов.

Она проста в конструктивном отношении и может быть использована в любом диапазоне температур, в случае загрязненности отходящих газов.

В результате реконструкции системы отопления печи типа 2 (печь Л 9 стана «450») по унифицированной схеме улучшилась равномерность режима отжига ответственных марок стали.

Экономический эффект от снижения удельного расхода топлива составил более II тыс. рублей на дв, е печи.