ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ В РАЗВИТИИ ПЕЧНОГО ХОЗЯЙСТВА ПРОКАТНЫХ ЦЕХОВ ЗАВОДОВ ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ НА БЛИЖАЙШИЕ ДЕСЯТИЛЕТИЯ

Повышение эффективности производства, необходимость снижения энергозатрат и повышения экологической чистоты работы печного оборудования требуют его непрерывного совершенствования.

Однако принципиально существующие возможности совершенствования используются далеко не полностью. Нагрев тонкой в термическом отношении заготовки превалирует как в черной, так и в цветной металлургии. Несмотря на это, печи с прямоточно противоточной схемой движения металла и продуктов сгорания исчисляются единицами. Прямоточнопротивоточные печи более производительны, чем широко распространенные противоточные; имеют меньший удельный расход тепла, более гибки в управлении. Ни теоретически расчетных, ни конструктивных препятствий для широкого использования пря мопротивоточных печей при нагреве тонких в термическом отношении заготовок нет, поэтому будущее за этими печами.

До последнего времени подавляющее большинство нагревательных печей прокатных цехов проектировалось исходя из эффективного использования природы теплового излучения как при торцевом, так и при сводовом отоплении. Как в том, так и в другом случае дальнейшая интенсификация нагрева наталкивается на необходимость повышения температуры рабочего пространства, которое ограничивается стойкостью футеровки.

Традиционное торцевое отопление с использованием пламенных горелок с коаксиальными струями исчерпало свои возможности. Сводовое отопление с использованием плоскопламенных горелок имеет очевидное преимущество как при противоточном, так и при прямоточном движении нагреваемого металла и продуктов сгорания. Однако сводовым плоскопламенным горелкам присущи свои недостатки, главными из которых являются сложность выполнения подвода газа и воздуха к многочисленным горелкам и низкая стойкость горелочных камней. Некоторое смягчение влияния первого недостатка возможно при использовании в своде инжекционных горелок, к которым по трубам подводится только газ. Первые шаги в разработке таких горелок уже сделаны. Необходим поиск нового способа отопления, отвергающего недостатки существующих в настоящее время торцевого и сводового способов отопления печей. Некоторое движение в этом направлении наметилось. Прорабатываются печи со ступенькообразным подвесным сводом, с использованием горелок, позволяющих иметь настильное пламя, развивающееся вдоль оси печи.

В общем объеме производства стали нагрев тонкого в термическом отношении металла составляет около 60 %: при производстве

цветных металлов этот показатель достигает практически 100 %. Эффективная (высокая производительность при малом окислении, должном прогреве по сечению и низком расходе тонлива) работа нагревательных печей зависит от правильного решения сопряженной задачи на поверхности металла. Чаще всего тепловой поток, воспринимаемый поверхностью металла, далек от своей предельной величины, что приводит к неоправданному снижению скорости нагрева и к излишнему увеличению размеров печей. Для термически массивных заготовок ускорение нагрева также злободневно. Ускорение нагрева требует значительного увеличения внешнего теплового потока, который в существующих печах обычно слагается из лучистой (70—80 %) и конвективной (20—30 %) составляющих. Учитывая превалирующее значение теплообмена излучением, целесообразно прежде всего увеличить плотность падающего на металл теплового потока. Однако сделать это при используемых огнеупорных материалах и системах отопления достаточно сложно, а порой и просто невозможно. Печь должна работать длительное время, а поэтому существенное увеличение температуры в рабочем пространстве печи в ущерб ее стойкости недопустимо.

Возможные пути интенсификации теплообмена излучением в нагревательных печах можно искать практически лишь в оптимальном соотношении степени черноты кладки печи и поглощательной способности металла.

Усиление излучения кладки лишь за счет изменения способов сжигания топлива недостаточно, потому что высокоглиноземистые и шамотные огнеупорные материалы в ближней (до 5 мкм) инфракрасной области (области "печных" температур) имеют невысокую степень черноты. Поскольку изготавливать огнеупоры с желаемой величиной невозможно, постольку единственным способом повышения степени черноты кладки является нанесение на ее поверхность специально разработанных обмазок, существенно повышающих степень черноты кладки. Использование таких обмазок дает весьма хорошие результаты. Так, по опыту работы крупных печей одного из металлургических комбинатов использование радиационных обмазок дало существенное увеличение потока излучением, причем экономия топлива за полугодие составила 10% и более.

В использовании радиационных обмазок таятся большие резервы. Большие перспективы имеет также широкое применение радиационных обмазок для радиационных труб и электронагревателей. В ряде случаев применение обмазок, увеличивающих степень черноты кладки, позволяет снизить температуру в печи, что очень благоприятно сказывается на снижешга количества образующихся при горении оксидов азота.

Следует заметить, что все исследования теплообмена в нагревательных печах проводились до Настоящего времени без учета изменения поглощательной способности поверхности металла по мере его нагрева.

Известно, что по мере нагрева металла меняется не только толщина, но и теплопроводность окалины. Дело, однако, не только в толщине слоя окалины и ее теплопроводности, но и в существенном изменении по мере нагрева металла ее радиационных свойств. Эксплуатировать и проектировать нагревательные печи необходимо с учетом изменения радиационных характеристик окалины по мере нагрева металла.

Зависимость спектральной степени черноты окалины €х от длины волны при различном времени нагрева металла в печи следующая:

Врема нагрева, ч . . 0,4 1,2 1,4 2,1 2,4 А, мкм:

Учитывая величину температуры в рабочем пространстве нагревательных печей, наиболее заметно изменение поверхности окалины от времени нагрева металла при длинах волн, равных 1 и 2 мкм. Отметим, что для приведенных данных время нагрева, равное 2,1 ч, составляло 60 % полного времени нагрева, а 2,4 ч соответственно 70 %. Из приведенных выше данных можно сделать два вывода.

Вопервых, падение степени черноты окалины по мере увеличения времени пребывания металла в печи очень существенно. Так, для т = 2,1 ч е1МКМ падает (по сравнению с ®imkm при т= 0,4 ч на 18 %, а при т = 2,4 ч на 37%. Аналогичные цифры для е2мкм составляют 15 и 27%).

Вовторых, наиболее резкое падение степени черноты поверхности окалины наблюдается после т = 2,1 ч, и это не случайно. Установлено, что при достижении температуры 1260—1270 °С поверхность окалины приобретает характерный блеск, сопровождаемый значительным снижением поглощательной способности. Исследования показали, что при достижении указанных температур поверхность окалины теряет свою шехороватость и оплавляется. Бели в свете этого в качестве примера рассмотреть многозонные нагревательные печи, то поскольку температуру 1270 °С ока липа достигает к началу второй сварочной зоны, постольку эта зона недоиспользуется, что ведет к непроизводительному увеличению длины печи, перерасходу топлива и неоправданному увеличению вредных выбросов.

Таким образом, правильное использование радиационных обмазок с учетом, изменения по ходу нагрева радиационных свойств поверхности (окалины) нагреваемого металла очень серьезный резерв в целесообразном выборе зон и создании высокопроизводительных, эффективных как в тепловом, так и в экологическом отношении нагревательных печей, работающих в условиях радиационного режима.

Очевидно, что совершенно не оправдано однобокое, в сторону радиационного теплообмена, развитие конструкций нагревательных печей. Необходимо направить серьезные усилия в сторону создания печей и оборудования к ним (особенно горелок), работающих в условиях скоростного (ударного) конвективного нагрева, используя, в частности, такой метод, как сжигание топлива непосредственно у (а может быть, и на) поверхности нагреваемого металла. Это очень перспективное направление развития методов нагрева термически тонких заготовок. Однако и для нагрева массивных заготовок, как показывают исследования последнего времени, такой метод вполне приемлем.

К настоящему времени теоретическая сторона конвективного (ударного) нагрева полностью ясна, и тем самым созданы необходимые предпосылки для расчета времени нагрева прямоугольных и цилиндрических заготовок. Исследования, проведенные в производственных условиях с нагревом кузнечных (цилиндрических) и прокатных (прямоугольных) заготовок, подтвердили принципиальную целесообразность широкого создания печей нового типа. Однако при этом возникают две серьезные проблемы: разработка горелок необходимой мощности и способ утилизации тепла отходящих продуктов горения. В настоящее время этот вопрос обсуждается. Высказано, на наш взгляд, очень заманчивое предложение о создании комплекса: печь скоростного ударного нагрева— газовая турбина.

Рассматривая различные аспекты конвективного ударного нагрева, нельзя, естественно, ограничиваться его использованием для нагрева лишь термически тонких заготовок. Изучение нагрева термически массивных заготовок в условиях ударного конвективного нагрева приводит к выводу о необходимости использования при этом принципа импульсного скоростного нагрева.

Анализ показывает, что применение импульсноскоростного способа позволяет обеспечить вполне удовлетворительный нагрев термически массивных заготовок. Практическое осуществление этого метода нагрева требует, конечно, проработки вопросов, связанных как со спецификой поведения термически массивной заготовки при нагреве, так и с использованием необходимых горелочных устройств и средств автоматизации.

Вышеизложенным методам ударного конвективного нагрева свойственен недостаток, связанный с охлаждением газовой струи до прикосновения с нагреваемой поверхностью. г этой связи большой интерес представляет способ смешения струй газообразного топлива и воздуха, воспламенение и сгорание топлива при соударении с поверхностью металла, при котором достигается очень интенсивная теплоотдача к поверхности металла.

Можно констатировать, что по методам ударного конвективного нагрева накоплен уже достаточный материал, позволяющий приступить к созданию нового типа нагревательных печей небольших по размеру, но обеспечивающих несравненно более высокую производительность по сравнению с существующими. Перспективность таких печей несомненна, особенно для нагрева термически тонких заготовок, нагрева до температуры прокатки литых слябов после машин непрерывной разливки и др.

Несмотря на очевидные преимущества, выражаемые в отсутствии необходимости иметь в печах весьма высокие температуры, компактность нагреваемого оборудования, конвективный нагрев недостаточно используется не только в нагревательных, но и в некоторых термических печах прокатных цехов. Настало время серьезного, качественного изменения тепловых условий работы протяжных, особенно башенных, печей. Эти огромные агрегаты, нацеленные на одну операцию (например отжиг), изжили себя. Они должны быть многоцелевыми, но при этом неизбежны серьезные изменения в тех их частях, которые не являются технологически заданными. Нерационально греть, начиная с нуля градусов, блестящую ленту излучением. Вдвойне нерационально греть ленту в таких условиях при подаче в зону нагрева холодной защитной атмосферы, расходы тепла на нагрев которой доходят до 30—35%. Необходимо искать пути подогрева атмосферы и методы конвективного подогрева полосы (хотя бы в начальный период нагрева). Очень перспективным в свете этого является метод контактного нагрева и охлаждения тонкой стальной ленты. Широкое использование этого очень эффективного метода нагрева и охлаждения металла позволит создать протяжные печи существенно меньших (при прочих равных условиях) размеров и сделать их более универсальными. В ближайшие десятилетия, повидимому, останется неразрешенной известная конкуренция между протяжными и колпаковыми печами для термобработки стальной ленты. У тех и у других есть свои преимущества и недостатки. Возможности совершенствования протяжных печей поистинё безграничны, тогда как колпаковые печи для термообработки рулонной стали почти исчерпали возможности своего развития. При применении водородной атмосферы, обеспечении условий для конвективнорадиационного теплообмена перспективным кажется достижение ускоренного охлаждения как муфеля (без использования воды), так и защитной атмосферы. Если в разработке способов воздушного охлаждения муфеля наметился определенный прогресс, то работа холодильников попрежнему слабое место в колпаковых печах.

Любой из способов нагрева металла перед прокаткой или для термической обработки ) должен рассматриваться не только с позиций обеспечения высокой производительности агрегата, его размеров и затрат на его сооружение и эксплуатацию. Обязательным является учет влияния работы агрегата на окружающую среду, связанного с выбросом дымовых газов в атмосферу. Для достижения позитивного результата необходимо стремиться к максимально возможному снижению расхода топлива или, иначе говоря, к образованию наименьшего количества дымовых газов. Для достижения эффективного (с точки зрения производительности и* расхода топлива) нагрева необходимы высокие значения величин падающих на металл тепловых потоков, которые обычно имеют место при весьма значительных температурах газообразных продуктов горения, заполняющих печь. Однако известно, что чем выше поддерживается температура горения топлива, тем больше при этом образуется оксидов азота. Это трудноразрешаемое противоречие может быть хотя бы частично устранено при более широком использовании в процессах нагрева металла конвективного теплообмена, при котором значительная величина теплового потока на поверхность металла может быть достигнута не только за счет температуры потока газов, но и за счет его скорости. При использовании радиационного теплообмена, стремясь снизить температуру газов и не проиграть при этом в интенсивности теплообмена на металл, следует стремиться не только к повышению степени черноты футеровки печи, но настало, повидимому, время перейти к использованию светящихся пламен в нагревательных печах, которые позволят, не снижая коэффициентов теплоотдачи на металл, эксплуатировать печи при относительно невысоких температурах горения топлива.

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