ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ КОНСТРУКЦИЙ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ ПРОКАТНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Среди разнообразных типов нагревательных печей, отвечающих требованиям технологии нагрева и эффективного использования топлива, являются рекуперативные нагревательные колодцы, печи с шагающими балками и подом, комбинированные толкательные многозонные печи, в том числе без монолитного пода, кольцевые печи, печи с роликовым подом и индукционные установки.

Многие нагревательные печи морально устарели и не отвечают требованиям по качеству нагрева и потреблению энергоресурсов. Поэтому основной задачей в ближайшее время являются обновление и реконструкция действующего печного парка.

Существенным недостатком рекуперативных нагревательных колодцев является наличие керамических рекуператоров. Они громоздки, имеют низкую газоплотность, создают трудности автоматического поддержания стабильного соотношения газ—воздух в процессе всего нагрева металла, а также тяжелые и трудоемкие условия ремонта рекуператора. По мере эксплуатации изза низкой газоплот ности рекуператора прососы воздуха на дымовую сторону увеличиваются, тепловая мощность падает и рекуператоры необходимо перекладывать через 1,5—2 года.

Выход из такого положения состоит в замене керамического рекуператора на металлический с использованием двухпроводной горелки. Совместно с Днепропетровским металлургическим институтом разработана конструкция металлического рекуператора с солевой вставкой. Отличительная особенность этого рекуператора заключается в том, что в период максимального расхода воздуха, когда обеспечивается хороший теплосъем с воздуш

ной трубы, соль остается в кристаллическом состоянии. При уменьшении расхода воздуха температура стенки вставки повышается, соль плавится с большим поглощением теплоты и защищает трубу от прогара.

Промышленные испытания показали, что при температуре продуктов сгорания 1350 °С подогрев воздуха достигает 650700 °С при высокой надежности в работе. Применение металлических рекуператоров с солевой вставкой значительно увеличивает межремонтный период нагревательных колодцев и снижает удельные расходы топлива до 15 кг условного топлива на 1т всада.

В настоящее время Стальпроект разрабатывает серию типоразмеров рекуператоров с солевой вставкой, которая будет выполнена с таким расчетом, чтобы их можно было устанавливать на действующих нагревательных рекуперативных колодцах.

С созданием компактных регенераторов с шариковыми насадками и газоплотных отсекающих клапанов регенеративная система отопления обрела новые функции. Наиболее перспективно применять эти регенераторы в нагревательных регенеративных колодцах, а также при замене керамических рекуператоров рекуперативных колодцев.

Такая реконструкция позволит значительно удешевить строительную конструкцию, отказаться от громоздких перекидных клапанов, а главное полностью ликвидировать выброс газа при наличии регенератора для подогрева топливного газа.

Опыт показывает, что подогрев газа и воздуха в регенераторах с шариковыми насадками составляет 1000—1100 °С, что позволяет значительно сократить расход топлива и использовать для отопления колодцев низкокалорийные газы вплоть до чистого доменного газа.

Заслуживает внимания применение обогащения воздуха горения кислородом, а также применение на колодцах раздельной подачи доменного или бедного смешанного и высококалорийного газа с тем, чтобы в период выдержки подачу высококалорийного газа (природного, коксового) прекращать.

Перспективной тепловой схемой нагревательных колодцев является импульсный способ подачи теплоносителя в рабочую камеру. Такое мероприятие позволяет повысить равномерность температурного поля рабочей камеры и поверхностей нагреваемых слитков, а также создать надежно работающую систему автоматического управления.

Стальпроектом разработаны нагревательные методические печи с шагающими подом или балками и комбинированным подом для новых сортовых и листовых прокатных станов.

При разработке печей руководствовались следующими основными принципами: выбор оптимального продольного профиля печи, снижение тепловых потерь, глубокая утилизация теплоты и создание систем автоматического управления тепловым режимом печи в зависимости от темпа работы стана.

Профиль рабочего пространства должен создавать наилучшие условия теплопередачи к нагреваемому металлу при обеспечении высокого качества нагрева и минимальных потерь. Такие условия создаются выбором системы отопления (сводовое, торцевое, боковое), высоты рабочего пространства, организацией движения продуктов сгорания в печи. Очевидно, что сводовое отопление нельзя рассматривать как единственный рациональный способ сжигания газа в верхних зонах печи. Этот способ необходимо рассматривать в комбинации с торцевым отоплением, учитывая при этом конструктивные особенности печи, а именно, расположение окон загрузки и выдачи, а также способ удаления продуктов сгорания из рабочего пространства печи. Для нижних зон, по крайней мере, на стороне выдачи целесообразно торцевое отопление, так как оно позволяет обеспечить равномерность нагрева нкжней поверхности металла и уменьшить охлаждающее и экранирующее влияние опорных конструкций.

Для организации движения продуктов сгорания в рабочем пространстве печи существенное значение имеет способ их удаления, например, создание в начале печи условий для протекания продуктов сгорания сначала над металлом, а затем под металлом. В некоторых случаях экономически оправдана организация струйного натекания продуктов сгорания на металл с помощью высокотемпературных вентиляторов, что значительно увеличивает теплоотдачу в начальный период нагрева.

Для создания наилучших условий теплопередачи к нагреваемому металлу целесообразно расположить в рабочем пространстве печи систему перегородок, которые, с одной стороны, локализуют теплотехнические зоны и уменьшают излучение высокотемпературных зон на низкотемпературные, а с другой стороны, прижимают потоки продуктов сгорания к металлу и увеличивают конвективную теплоотдачу.

Качество нагрева металла в нагревательных печах во многом зависит от охлаждающего и экранирующего воздействия опорных конструкций (подовых труб и шагающих балок), которые создают локальную неравномерность нагрева металла в виде так называемых холодных или темных пятен. В толкательных печах для выравнивания температуры в металле после нагрева на подовых трубах специально создан участок монолитной подины в томильной зоне. Однако печи с монолитной подиной имеют серьезные недостатки: увеличивается

сбщая продолжительность нагрева металла в печи, появляется неравномерность нагрева металла сверху и снизу, что приводит к необходимости усиленного нагрева в нижних отапливаемых зонах, увеличению потерь теплоты на подовые трубы и повышенному окали нообразованию, на подине повреждается нижняя поверхность металла, необходим тяжелый ручной труд для очистки подины от окалины, увеличивается усилие проталкивания и т.д.

Радикальным средством борьбы с холодными пятнами являются современные металлические или металлокерамические рейтеры, позволяющие существенно уменьшить охлаждающее влияние опор. Совместно с Институтом высоких температур Российской Академии Наук разработана конструкция рейтеров из высокохромистого сплава, имеющего высокие показатели по жаро и износостойкости при высоких температурах. Рейтеры хорошо зарекомендовали себя за время многолетней эксплуатации на нескольких крупных нагревательных печах в черной металлургии России и стран СНГ. Опыт работы этих печей показал, что равномерность нагрева металла в рейтерах достаточно высока и в толкательных печах можно отказаться от монолитной подины в томильной зоне и греть металл на рейтерах по всей длине печи. Для дальнейшего увеличения равномерности нагрева металла целесообразно устройство смещенных по длине печи подовых труб (или шагающих балок) перед выдачей металла из печи.

По проектам Стальпроекта на нескольких толкательных печах проведена реконструкция с ликвидацией монолитной подины. Опыт успешной эксплуатации этих печай показывает, что такая реконструкция большого парка действующих толкательных печей найдет широкое применение, так как позволяет при относительно небольших капитальных затратах получить увеличение производительности печи, высокое качество нагрева металла и облегчение условий труда обслуживающего персонала. В случае, если в увеличении производительности печи нет необходимости, можно получить существенную экономию топлива.

Значительная экономия топлива ^возможна при его сжигании в регенеративных горелках. Горелка состоит из регенератора с шариковой насадкой, узла ввода газовоздушной смеси в печь и запальной горелки. Горелки используются попарно, при этом через одну горелку с разогретой шариковой насадкой в печь подаются топливо и подогретый воздух, а через вторую уходят продукты сгорания, разогревая остывшую насадку регенератора. Размеры регенераторов выбирают, исходя из заданной температуры подогрева воздуха, а цикл перекидки принимают таким, чтобы температура продуктов сгорания на выходе из регенератора была не выше 200 °С. Перекидка осуществляется при помощи отсечных клапанов. В конструкциях Стальпроекта применяются мембранные клапаны, изготовляемые фирмой ”Теп лопроект", у которых нет движущихся частей и исполнительного механизма; управляются они при помощи электропневматического трехходового распределителя за счет давления среды в коллекторе.

Нагревательные печи относятся к крупным потребителям энергии. Одна из наиболее простых возможностей снижения потребления энергии заключается в улучшении теплоизоляции рабочего пространства печи, уменьшении площади открытых отверстий, сведении к минимуму поверхности охлаждаемых элементов и применении эффективной и стойкой их тепловой изоляции.

Уменьшение потерь теплоты с охлаждением подовых труб и балок в толкательных печах и в печах с шагающими балками остается одним из основных резервов экономии топлива. Изоляция подовых труб испытывает значительные тепловые и механические нагрузки, химические воздействия окалины и продуктов сгорания.

В основном используется как однослойная изоляция на. основе пластических муллитокорундовых масс, либо жаростойкого бетона, так и двухслойная с применением в изоляционном слое рулонных волокнистых керамических материалов. Возможно также применение металлокерамической изоляции.

Другим путем снижения потребления энергии в высокотемпературных процессах является обогащение кислородом воздуха горения. Тенденции развития цен на электроэнергию и природный газ привели к использованию относительно дешевой электроэнергии для получения кислорода, используемого в нагревательных печах.

Обогащение воздуха горения кислородом связано с повышением калориметрической температуры горения и парциального давления С02 и Н20 в продуктах сгорания. Это ведет к интенсификации теплообмена и снижению температуры и расхода уходящих продуктов сгорания, а вместе с обогащением воздуха горения кислородом— к сокращению расхода газа.

Экономичность применения кислорода в нагревательных печах зависит от степени обогащения воздуха горения, удельной напряженности пода, вида кислорода и цены на топ

ливо, при этом с повышением цен на топливо повышается экономичность применения кислорода. Экономичность использования кислорода значительно повышается в печах с высокой удельной напряженностью пода, что очень важно при реконструкции старых печей с учетом повышения производительности.

Весьма существенным резервом экономии энергии является взаимосвязь работы печи со станом, так как средний за календарное время удельный расход энергии может превышать расход за один горячий час на 30—50%, что связано с неритмичностью работы стана.

Поэтому очень актуальной проблемой является автоматическое управление тепловым режимом печи с учетом темпа работы стана, а главным критерием управления должно быть качество нагрева металла.

В настоящее время металлургическое производство является одним из основных загрязнителей окружающей среды оксидами азота и частично серы. Концентрация NO* в дымовых газах колеблется в пределах 200600 мг/м3, концентрация S02 достигает 3 г/м3.

В теплоэнергетике наиболее распространенными методами очистки являются каталитические. При использовании этих методов, как правило, проводят восстановление оксидов азота до элементарного азота восстанавливающими реагентами, из которых чаще всего применяют аммиак. В качестве катализаторов используют кокс и катализаторы на основе металлов платиновой подгруппы. Однако такой способ восстановления оксидов азота по ряду известных причин не может быть использован для печей металлургического производства.

Наиболее приемлемым способом восстановления оксидов по оценке Стальпроекта является впрыскивание раствора карбамида (NHj^CO в дымопровод непосредственно за рабочим пространством печи. Такой способ уменьшает выброс оксидов азота на 75—80% и одновременно разрешает проблему глубокого использования теплоты уходящих продуктов сгорания для подогрева воздуха горения.

Кроме того, для подавления образования оксидов азота применяют двухступенчатое сжигание топлива, рециркуляцию продуктов сгорания и впрыскивание пара в зону горения. Последний способ в настоящее время проходит промышленное испытание на методической печи, и предварительные результаты подтверждают перспективность такого способа.

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