Исследование методов охлаждения садки колпаковой печи с помощью математического моделирования

25

5

4

2

0,2

Электроэнергия:

- мощность потребителей, кВт:

- циркул. насос: устан./потребляем.

- вентилятор УБО: уст./потребляем.

- осевые вентиляторы КУО;

- нагреватель газопровода проду-

вочного газа

- АСУ ТП

380 В, 50 Гц

55/22

11/5,5

2 × 3 = 6

2

3

Тепловыделения в цех с учетом остывания стопы, кВт

116

Таблица 3

Сравнительные технические характеристики колпаковых печей ЛПЦ-5

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 ⁰ С (по показаниям стационарной стендовой термопары), что соответствует примерно температуре внутренних по толщине намотки витков рулонов 150-220 ⁰ С.

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[ЛНЮ1] 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 ⁰ С 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 ⁰ С) 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 ⁰ С, а рядовую конструкционную сталь - до 160-180 ⁰ С (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

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 ⁰ С 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 ⁰ С воздушная обдувка позволяет повысить производительность печей на 10-15 %, следовательно ее применение целесообразно. Это подтверждено многолетней практикой экономически выгодного использования аналогичных колпаков воздушной обдувки на многих заводах США, Франции и Германии.

Таблица 5

Соотношение размеров рулонов и продолжительности времени их охлаждения

Поливка муфеля водой весьма эффективна: во всем практическом диапазоне параметров рулонов и конечных температур охлаждения достигают сокращения времени охлаждения на 30-50 % или прироста производительности на 20-35 %. Влияние параметров рулонов меньшее, чем при воздушной обдувке, поэтому поливка водой эффективна для всех рулонов /3/.

Однако этот метод применяют очень ограниченно, что обусловлено рядом конструктивных и эксплутационных недостатков: сложной конструкцией и плохой стойкостью муфеля, недостаточной надежностью затворов, потребностью в больших количествах воды, значительными паро- и влаговыделениями в цех, загрязнениями цеха, задалживанием кранового оборудования. Работы по совершенствованию метода поливки муфеля водой продолжаются, но в настоящее время его нельзя рекомендовать к внедрению в современных цехах с большим числом крупных колпаковых печей.

Колпаковая печь с выносными холодильниками защитного газа: на сегодняшний день является одним из наиболее прогрессивных видов ускоренного охлаждения муфеля. Каждый холодильник составлен из двух стандартных калориферов КФС-6, заключенных в газоплотный сварной кожух. Системой плотных газопроводов холодильники присоединены к основному теплообменному контуру циркуляции защитного газа под муфелем. Таким образом организованы два дополнительных теплообменных контура циркуляции газа через холодильники. В период нагрева клапаны закрыты и защитный газ под муфелем циркулирует по обычной схеме. В начале охлаждения клапаны открывают и в результате перепада давлений, создаваемого стендовым вентилятором, часть горячего защитного газа начинает циркулировать через холодильники, отдавая им тепло. Охлажденный газ вновь поступает под муфель, где, смешиваясь с основной массой циркулирующего газа , понижает его температуру и ускоряет охлаждение рулонов.

Полученные экспериментальным путем данные указывают на существенное возрастание эффективности этого метода при понижении конечной температуры охлаждения рулонов под муфелем. Поэтому его использование особенно целесообразно для рулонов качественного металла и жести, когда сокращение времени охлаждения достигает 40-45 %, что соответствует приросту производительности на 25-32 %.

Метод ускоренного охлаждения рулонов в колпаковых печах под муфелем с циркуляцией части (7-11 %) защитного газа через выносные холодильники выгодно отличается от других методов сочетанием высокой эффективности с экономичностью, компактностью, надежностью, удобством эксплуатации, обслуживания и многого другого. Его применение позволяет улучшить использование энергии стендового циркуляционного вентилятора и снизить удельный расход защитного газа при сравнительно небольшом увеличении потребляемого количества охлаждающей воды. Все узлы установки относительно просты, а стоимость установки не превышает 2-3 % стоимости сооружения печей. Все это позволяет рекомендовать применение выносных холодильников на производстве. Производительность охлаждения с применением установки возрастает на 23 %.

Сравнительные данные по охлаждению рулонов в колпаковых печах разных фирм представленные в табл.6. Нужно отметить, что эксплутационные данные для ЛПЦ-2 КарМК (Карагандинский металлургический комбинат) относятся к условиям работы в наиболее жаркое время года (с апреля по август). Приведенные данные показывают возможность увеличения производительности стенда по охлаждению не менее чем в 3 раза в условиях использования водородной атмосферы и почти в 2 раза для условий преимущественно азотной защитной атмосферы. Представленные данные характеризуют процесс охлаждения до температуры 140-160 ⁰ С /2/.

Таблица 6

Сравнительные данные по охлаждению рулонов в колпаковых печах разных фирм

С учетом положительного опыта КарМК по эксплуатации и техническому обслуживанию выносных холодильников защитного газа, а также конструктивных разработок ВНИИМТ (научно-исследовательский институт металлургической теплотехники) по совершенствованию конвективного теплообмена в высокотемпературных агрегатах было принято решение о разработке системы принудительного охлаждения рулонов защитным газом с использованием специального вентилятора в рециркуляционном контуре.

На рис.1 показана схема ускоренного охлаждения рулонов. Стенд 1, на котором под муфелем 2 находятся рулоны 3, снабжен каналами 8 и 9 для отсоса и подачи защитного газа в подмуфельное пространство. К этим каналам подсоединяются модули охлаждения 10. Каждый модуль 10 включает в себя циркуляционный вентилятор 11, газоводяной холодильник 12 с патрубками для подвода и отвода воды 13, регулировочный шибер 14, байпасный шибер 15 и отсечной шибер 16, служащие для регулирования газодинамического режима работы устройства /3/.

Схема стенда колпаковой печи, оборудованной модулями ускоренного охлаждения

4 - песочный затвор; 5 - рабочее колесо; 6 - электродвигатель; 7 - опорное конвекторное колесо; остальные обозначения - в тексте

Рис.1

Защитный газ из подмуфельного пространства через каналы 8 отсасывается циркуляционным вентилятором 11, который подает газ через холодильник, где он охлаждается за счет теплообмена с трубами, внутри которых циркулирует вода. Охлажденный защитный газ через каналы 9 поступает в подмуфельное пространство. После взаимодействия с охлаждаемой садкой нагретый газ вновь поступает в модули охлаждения.

Разработанный модуль ускоренного охлаждения рулонов представляет собой единый сварной корпус, в котором смонтированы циркуляционный вентилятор, газоводяной холодильник, подводящие и отводящие короба. Корпус имеет присоединительный фланец для установки его на стенде реконструированной для этой цели колпаковой печи.

Газоводяной холодильник выполнен из труб коррозионно-стойкой стали диаметром 25 мм. По газовой стороне холодильник установлен на выхлопе циркуляционного вентилятора и имеет один рабочий ход. Теплообменная поверхность трубчатки составляет 18 м² . Холодильник является съемным и при необходимости может быть демонтирован из корпуса модуля.

Проект реконструкции стенда колпаковой печи был выполнен в Стальпроекте и предусматривал установку двух модулей. Защитный газ из рабочего объема печи подводится и отводится через систему канальных отверстий в районе направляющего аппарате стендового вентилятора. Каналы в реконструированном стенде выполнены таким образом, чтобы не нарушать аэродинамику в подмуфельном пространстве и гарантировать отсутствие подсосов воздуха под муфель через оставшийся без изменения песочный затвор стыка муфеля со стендом /4/.

Охлаждающие модули были изготовлены во ВНИИМТ и прошли стендовые аэродинамические испытания.

В процессе проведения промышленных исследований особое внимание уделялось стабильности газового режима под муфелем печи. Более высокий уровень влажности (до - 14 ⁰ С по температуре точки росы) в опыте объясняется тем, что это был первый пуск охлаждающих модулей в эксплуатацию, и тем, что модуль начал работу без предварительного запуска вентилятора. Плавный запуск вентиляторов обеспечил влажность под модулем на уровне - 20 ⁰ С. После 40 часов работы с начала охлаждения влажность стабилизировалась на уровне - 30 ⁰ С. В итоге металл получили светлым, подсосов


29-04-2015, 04:03