НАГРЕВАТЕЛЬНЫЕ И ТЕРМИЧЕСКИЕ ПЕЧИ ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ РОССИИ И СТРАН СНГ В XXI итоги

В России и странах СНГ создан крупнейший металлургический комплекс, располагающий большим печным парком. Только в прокатном производстве эксплуатируется почти 1,7 тыс. печей перед станами горячей прокатки и ~ 5,5 тыс. термических печей. Однако технический уровень этих печей весьма различен. Свыше 25 лет эксплуатируются от 70 до 80% печей обжимных, листовых, сортовых и специальных станов, 50 % трубных станов, 45 % станов холодной прокатки. Многие печи физически и морально устарели и в перспективе должны быть заменены или капитально реконструированы. Будут строиться и новые печные агрегаты, в основном при внедрении новых технологических процессов.

Основные принципы, которым следуют при разработке новых печных агрегатов, следующие:

1) полное удовлетворение требованиям технологии и огранизации работы всего цикла производства;

2) обеспечение требуемых качества нагрева и свойства конечной продукции;

3) экономия топливноэнергетических ресурсов;

4) обеспечение экологической чистоты: минимизация вредных выбросов в окружающую среду и тепловых излучений;

5) максимальные механизация и автоматизация работы агрегатов и технологических процессов с включением их в общую систему механизации и автоматизации производства;

6) обеспечение безопасности и удобства работы обслуживающего персонала.

Разработку новых печных агрегатов диктует в основном новая технология металлургического производства. На металлургических заводах и комбинатах России и стран СНГ предстоит широкое внедрение непрерывного технологического процесса по производству полосового и сортового проката, включающего сталеплавильное отделение, MHJI3, нагрева тельноподогревательную печь, прокатный стан, моталку или адыостаж. Производительность такой линии 0,31,2 млн.т/год по годному. Печь является связующим звеном между одной или двумя МНЛЗ, работающими на одной скорости, и прокатным станом, работающим на другой скорости. Она должна обеспечивать, как функции буферного подогревателя копилышка для металла, поступающего с МНЛЗ, так и нагрев холодного металла под прокатку. Конструкция этих печей зависит от профиля разливаемого и прокатываемого на стане металла, располагаемого места в цехе, конечной температуры металла после МНЛЗ и температуры металла перед станом. Это могут быть печи с роликовым подом большей протяженности (100200 м).

В настоящее время разработана принципиально новая компактная и энергосберегающая схема: комплекс печей с шагающим подом и специальными механизмами для передачи заготовок.

С внедрением непрерывной технологии МНЛЗ — прокатный стан нагревательные колодцы будут выводиться из эксплуатации. Однако они еще надолго сохранятся перед обжимными станами, поэтому будет продолжаться совершенствование их конструкции и эксплуатации с целью повышения экономичности работы и стойкости нагревательных колодцев. Для улучшения работы нагревательных колодцев будут использоваться металлические рекуператоры с аккумулирующей вставкой! инжек ционная подача воздуха, применение кислорода, регенеративная система отопления, импульсная подача топлива и др.

Для станов горячей прокатки будут сооружаться высокомеханизированные и автоматизированные печи с шагающим подом и балками, а для массивной заготовки — комбинированные печи, в которых удается избежать коробления заготовки в начальный период нагрева. Особенно эффективно применение печей с шагающими балками для нагрева длинномерной круглой или квадратной заготовок перед трубопрокатным станом, так как это позволяет исключить из технологического процесса производства целый передел — холодную ломку длинномерной заготовки на короткие требуемой длины для нагрева их в кольцевой печи. Из печи с шагающими балками длинномерная заготовка выдается по внутрипечному консольному рольгангу, от нее отрезают заготовку нужной длины, которая идет в трубопрокатный стан, а остальная часть убирается по рольгангу в печь. В результате этого экономятся энергоресурсы, оборудование, сокращается обслуживающий персонал и улучшается качество нагрева металла.

Преимущества печей с шагающим подом и балками широко известны. Для новых условий работы металлургии особенно важна их гибкость, возможность эффективно работать при переменном сортаменте, небольших партиях нагреваемого металла, частых перевалках, широкой номенклатуре прокатываемой на стане продукции.

Совершенствование конструкции и работы печей с шагающими подом и балками, а также толкательных печей, корорые еще долго будут оставаться в эксплуатации, пойдет в трех основных направлениях: повышение качества нагрева, экономия топливноэнергетических ресурсов и снижение вредных выбросов в окружающую среду. Для повышения качества нагрева, равномерности температуры нагретого металла, устранения темных пятен от опорных поверхностей будут применяться современные рейтеры, ликвидация монолитной подины, смещение по длине печи подовых труб и балок, торцевое отопление в нижних зонах. Для экономии топливноэнергетических ресурсов необходимы выбор профиля рабочего пространства, снижение напряженности пода, удлинение неотапливаемой теплоутилизационной части печи, организация движения газов в печи, уплотнение и улучшение футеровки рабочего пространства, минимизация поверхности и совершенствование теплоизоляции водоохлаждаемых элементов, глубокое использование теплоты уходящих продуктов сгорания, в частности в. регенеративных горелках и энерготехнологическом агрегате. Для снижения вредных выбросов целесообразно применять горелки ступенчатого сжигания; выбор оптимального подогрева воздуха для горения; использование газов собственно металлургического производства.

Стремление к повышению качества и конкурентоспособности металлургической продукции требует увеличения доли термохимической обработки, изделий с различными видами покрытий.

Для массовых видов термической обработки и покрытий построены и строятся крупные протяжные печи в составе агрегатов непрерывного алюминирования и алюмоцинкования АНГА1700 производительностью по 350 тыс.т/год, в составе агрегата непрерывного отжига АНО2000 производительностью 600 тыс.т/год. Эти печи состоят из камер подогрева, дожигания, безокислительного и восстановительного нагрева, выдержки, регулируемого, быстрого и окончательного охлаждения. Камеры непрерывных протяжных агрегатов для термической и химикотермической обработки хорошо отработаны, а по своей конструкции и заложенным в них принципам нагрева и охлаждения отвечают самым высоким современным требованиям. В различных сочетаниях и модификациях из этих камер можно набирать широкий диапазон печей для самых различных технологий и при этом обеспечить высокое качество термической обработки, надежную, экономичную и безопасную работу печного агрегата.

Для целого ряда технологий в листо и сортопрокатном производстве продолжат применение печей периодического действия, главным образом самых совершенных из них колпаковых печей. Кроме того, будет осуществлено техническое перевооружение и реконструкция действующего парка колпаковых печей, который насчитывает несколько тысяч стендов устаревшей конструкции. Будут широко внедрять колпаковые печи нового поколения с азотоводородной и водородной атмосферой, использующие современные средства интенсификации нагрева и охлаждения садки. Это позволит в несколько раз увеличить производительность отделений отжига на тех же площадях при высоком качестве термической обработки и значительной экономии топливно энергетических ресурсов.

Для удовлетворения все возрастающей потребности в самых различных видах термической обработки сортового, листового проката и труб разнообразного сортамента и свойств будут строиться проходные печи с шагающим подом и балками, роликовым подом, конвейерные и др. В этих печах будут применяться современные волокнистые футеровки, профильные рейки на шагающих балках, позволяющие фиксировать или вращать вокруг оси заготовку и трубы, неохлаждаемые, воздухоохлаждаемые и термосифонные ролики с керамической и жаропрочной бочкой, высокотемпературные вентиляторы, встроенные во внутренний или внешний рециркуляционный контур, вакуумные и газодинамические затворы и т.д.

Для новых технологий будут разрабатываться принципиально новые печи. Например, для термохимической обработки труб перед покрытием, которая практически исключает экологически вредное кислотное травление и флюсование, необходимо создать сложные печные агрегаты с применением атмосферы с большим восстановительным потенциалом.

Несмотря на более высокую стоимость электронагрева по сравнещш с газовым, в нагревательных и термических печах будет применяться электронагрев, который в ряде случаев является более эффективным, чем газовый, как с точки зрения экологии, так и в точности автоматического регулирования. В системе непрерывная разливка — прокатный стан индукционный электрический нагрев будет применяться для подогрева кромок заготовок. Индукционные установки, располагаемые между печыо и прокатным станом, не допустят охлаждения заготовок и обеспечат поддержание постоянной температуры по длине заготовки при подаче в валки прокатного стана.

Для прокатки квадратной заготовки экономически выгодно сочетание предварительного нагрева заготовок в индукторе и окончательного нагрева в газовой печи с роликовым или шагающим подом.

Сочетание газового и электрического нагревов будет осуществляться в непрерывных протяжных печах с защитной атмосферой для высокотемпературной термической обработки, где зоны нагрева имеют газовое отопление, а зона выдержки оборудована нагревателями сопротивления.

Высокотемпературный отжиг трансформаторной стали осуществляют в водородной атмосфере при температуре >1100°С. Для этих условий предпочтителен электронагрев, тем более, что при нем можно отказаться от му фелирования садки.

Индукционный нагрев применяется для отпуска и закалки стального проката круглого и квадратного сечений.

Принципиальные схемы и технология работы печей, которые будут эксплуатироваться на металлургических заводах XXI века, в настоящее время ясны. Основная проблема заключается в отработке узлов и элементов печей и их оборудования.

Будут разработаны горелочные устройства нового поколения с учетом экономических, экологических и эргономических факторов, а также требований безопасности и надежности работы.

В нагревательных печах широкое распространение получат горелки плоско, конусно и длиннопламенные с регулируемой длиной факела.

В термических печах будут применяться горелочные устройства для импульсной системы отопления, скоростные горелки и горелки с широким диапазоном изменения избытка воздуха. Эти Горелки обеспечат устойчивую циркуляцию атмосферы в рабочем пространстве печи и равномерность нагрева.

В печах с контролируемой атмосферой подучат дальнейшее распространение горелки для безокислительного нагрева, работающие с недостатком воздуха, горелочные устройства с муфелированием пламени — радиационные трубы различной конфигурации и для различных температур, панельные нагреватели и др.

Для низкотемпературных печей будут применяться струйные и рециркуляционные горелки. Шире будут применяться горелочные автоматизированные блоки и горелочные устройства с собственной утилизацией теплоты, рекуперативные, регенеративные, с внутренними металлическими камерами.

На металлургических заводах и комбинатах для отопления печей прокатного производства значительное внимание будет уделено применению газов собственно металлургического лроизводства, в том числе с весьма низкой теплотой сгорания. Для этого потребуется решить вопросы повышения температуры подогрева воздуха для горения без увеличения содержания оксидов азота в продуктах сгорания, совершенствования систем автоматического регулирования и возможности обеспечения работы с оптимальными коэффициентами избытка воздуха.

Все горелочные устройства будут иметь модификации с учетом конкретного процесса тепловой обработки.

Конструкция печей и условия эксплуатации во многом зависят от состояния футеровок агрегатов. В ближайшие годы резко увеличится производство неформованных огнеупоров огнеупорных бетонов, набивных и пластичных масс, волокнистых материалов и других нетрадиционных видов огнеупоров. Стоимость производства неформованных огнеупоров в России значительно выше, чем стандартных и фасонных прессованных изделий, что и предопределяло ограниченность их применения. Однако преимущества неформованных огнеупоров перед традиционными неоспоримы. Это удобство хранения и монтажа, значительное сокращение сроков строительства, упрощение процесса ремонта футеровки, возможность механизации процессов ремонта.

В связи с внедрением новых технологий в черной металлургии и связанным с этим усложнением конструкций тепловых агрегатов, созданием принципиально новых типов печей, эти материалы также более предпочтительны: разнообразие составов и свойств огнеупорных бетонных смесей, набивных и пластичных масс позволяет с уверенностью применять их в фу теровках печей для любых условий эксплуатации, будь то температуры, защитные атмосферы, динамические нагрузки и др. Существует несколько составов огнеупорных бетонных смесей и масс, опробованных в промышленных агрегатах и показавших хорошие результаты при различных условиях эксплуатации.

То же можно отнести к изделиям из керамического волокна, которые применяются для футеровки в основном термических печей. Это объясняется ограничением температуры службы волокнистых изДеоий — 1150 °С, что не позволяет футеровать ими нагревательные печи с более высокой температурой в рабочем пространстве.

Уже разработаны волокнистые огнеупоры для температур 1400 и 1600 °С и организовано их производство, однако они пока дороги и в основном выпускаются в виде рулонного материала. Для них нужны крепежные изделия.

Должны быть разработаны и надежно опробованы склеивающие растворы и защитные покрытия для волокнистых футеровок.

После решения этих проблем, а также при значительном расширении ассортимента изделий можно широко применять изделия из волокнистой керамики в любых тепловых агрегатах; возможно также их использование в комбинации с огнеупорными бетонами, набивными и пластичными массами, что значительно расширит возможности проектирования футеровок металлургических печей.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 2, Москва 1994