Область применения и общая характеристика колпаковых печей

Область применения и общая характеристика колпаковых печей.

Колпаковые печи применяют главным  образом для светлой термической  обработки рулонов холоднокатаной стальной полосы, а также для термической  обработки среднего и толстого горячекатаного листа, сортового проката и бунтов проволоки. Электрические печи используют в основном для высокотемпературной термической обработки электротехнических и некоторых специальных сталей.

Основные типы колпаковых печей  схематично изображены на рис 5.1.

На стенде одностопной печи (рис. 5.1. а) устанавливают одну стопу из нескольких поставленных друг на друга рулонов. Между рулонами закладывают конверторные кольца, а сверху стопу закрывают крышкой. Стопу накрывают муфелем, а муфель – нагревательным колпаком с горелками. В стенде установлен циркуляционный вентилятор, который засасывают газ контролируемого состава из центральной полости стопы и подает его через кольцевую щель направляющего аппарата вверх вдоль стенки муфеля. При омывании стенки муфеля газом между муфелем и газом происходит теплообмен. Затем газ поступает в конвекторные кольца и, проходя через них во внутреннюю полость стопы, омывает торцы рулона, где происходит теплообмен между газом и рулонами.

В многостопных печах ( рис. 5.1. б) на стенд  устанавливают от трех до восьми стоп рулонов в дин или два ряда по ширине стенда. Каждую стопу накрывают отдельным круглым муфелем. В стенде смонтировано соответствующее числу стоп количество циркуляционных вентиляторов. Нагревательный колпак является общим для всех стоп.

На стенд колпаковой печи для распушенных рулонов (рис. 5.1. в) устанавливают один или два рулона друг на друга. Циркуляционный вентилятор просасывает газ через зазоры между витками полосы, и теплообмен происходит на всей ее поверхности.

Печи для стоп листов, бунтов и рулонов при высокотемпературных режимах (рис. 5.1. г) по конструкции стенда и нагревательного колпака подобны многостопным печам. Однако в большинстве случаев они не оборудованы печах для термической обработки бунтов сортового проката. На стенды этих печей рулоны устанавливают в один ряд по высоте, а высота стопы листов не превышает 1.4-1.5 м.

Термическая обработка рулонов  стальной полосы и листов в колпаковых печах состоит в нагреве и  охлаждении металла под муфелем  в атмосфере контролируемого  состава. Охлаждение заканчивают, когда температура металла достигает величины, при которой он может находится на воздухе, не окисляясь. Поскольку длительность нагрева меньше длительности охлаждения, один колпак обычно обслуживает два-три стенда: на одном стенде проводят нагрев под колпаком, а на остальных- охлаждение, сборку и разборку стоп. Колпак с одного стенда на другой переносят мостовым краном.

 Колпаковая печь для  отжига листов.

Колпаковые печи. В колпаковых печах  лист отжигают в пакетах, а рулоны – в стопах (при этом рулоны установлены один на другой). Для ускорения нагрева используют принудительную циркуляцию защитной атмосферы. Между рулонами предусмотрены специальные прокладки, которые позволяют защитной атмосфере циркулировать между рулонами и способствовать самым их прогреву в осевом направлении.

Применяют многостопные и одностопные  колпаковые печи. В многостопных печах  один нагревательный колпак приходится на несколько стоп, которые взаимно  экранируют друг друга. Это приводит к неравномерности нагрева стопы и необходимости увеличения времени выдержки и, следовательно, к снижению производительности.

Более совершенны с этой точки зрения одностопные колпаковые печи, в которых  рулоны прогреваются равномернее. Однако в экономическом 

отношении эффективнее многостопные печи. Их целесообразно применять при массовом производстве, когда сортамент отжигаемого металла сравнительно неширок. В случае большого разнообразия сортамента отжигаемого металла одностопные печи позволяют более гибко вести производство.

Печи с муфелированием металла.

Колпаковая печь для светлого отжига листа представлена на рисунке 1. Она  предназначена для отжига листов, уложенных в стопу. Нагрев стопы  листов целесообразно вести так, чтобы тепло поступало к торцам листов, а не в поперечном направлении. Между листами, сложенным в стопу, находится газовая прослойка, которая снижает теплопроводность стопы в поперечном направлении в 30-40 раз по сравнению с теплопроводностью сплошного металла. У печи два колпака: внутренний – из листового железа и наружный футерованный колпак, на котором и размещены горелки. Внутренний колпак – это муфель, которым закрывают  стопы, помещенные на неподвижный под (стенд) печи. Внизу внутреннего муфеля устроен песочный затвор, обеспечивающий необходимую герметизацию. Под внутренний муфель по специальной трубке подается защитная атмосфера.

Весь процесс отжига делится  на следующие стадии: а) загрузка стоп металла на стенд, б) установка внутреннего  муфеля и продувка подмуфельного  пространства защитной атмосферой для удаления воздуха, в) нагрев садки до 650-750 С ( с защитной атмосферой), г) охлаждение садки под внутренним муфелем до 150 С( с защитной атмосферой), охлаждение от 150 С на воздухе и разгрузка стенда.

Выдавать металл на воздух с температурой выше 150 С нельзя во избежание появления на поверхности металла цветов побежалости.

Время нагрева садки до 650-750 С  приблизительно в три раза меньше суммарного времени охлаждения садки  до 150 С, загрузки и разгрузки металла. Поэтому обычно  на один наружный колпак приходится три стенда. Когда один стенд находится под наружным колпаком, второй разгружают и нагружают, а на третьем охлаждают металл под внутренним муфелем. Колпак переносят с одного стенда на другой специальным мостовым краном. Масса наружного колпака около 40 т.

При переносе с одного стенда на другой внутренняя поверхность футеровки  колпака остывает до 300-350 С. В нижней части наружного колпака с  двух сторон  по всей его длине  расположена серия небольших  инжекционных горелок, что обеспечивает торцовой подвод тепла к стопам листов. Перед каждой горелкой установлена карборундовая пластина, предохраняющая внутренний муфель от местного перегрева. У наружного колпака также устроен внизу песочный затвор. В качестве топлива можно использовать любое газообразное топливо, чаще всего употребляют смеси коксового и доменного газов с Q^н_р=5860-10050 кДж/м³.

Дымовые газы отдают тепло внутреннему  муфелю, а он в свою очередь передает тепло нагреваемому металлу. Удаляют  дымовые газы из рабочего пространства при помощи эжектора. Газ и инжектирующий воздух подают через специальные гибкие шланги. Дымовые газы удаляются в дымоотводящие трубопроводы, присоединенные к дымовой трубе, оборудованной дымососом.

Ранее дымовые газы удаляли из колпаковых печей естественным путем прямо в атмосферу цеха. Для этого в стенках наружного колпака делали специальные вертикальные каналы. Применение эжекторов позволило устранить этот недостаток, резко улучшить санитарное состояние цеха и условия труда обслуживающего персонала.

Масса садки в колпаковых печах составляет 80-120 т, удельная производительность достигает 250-300 кг/(м²*ч), а удельный расход топлива равен 1260-1400 кДж/кг.

Отличительная особенность колпаковой печи – наличие двух колпаков: внутреннего, предохраняющего металл от окисления (муфеля), и наружного, футерованного огнеупорным кирпичом, на котором монтируются горелки или электрические нагреватели. Муфель выполняется из жароупорной стали. Герметизация колпаковой печи достигается применением песочных затворов. Обычно для ускорения нагрева металла с помощью внутреннего циркуляционного вентилятора создают интенсивную циркуляцию защитного газа под муфелем.

Принципиальные отличия  имеют колпаковые печи для отжига листов,

в стопу; колпаковые печи одностопные, колпаковые печи трёх-

стопные и колпаковые печи для отжига распушенных рулонов. Из этого

многообразия конструкций наиболее распространена одностопная печь.

Она лучше других вписывается в  поточное производство, нагревает металл

достаточно равномерно и быстро, даёт низкую себестоимость нагрева и до-

вольно низкий расход топлива. Время  нагрева в колпаковой печи является главным фактором, влияющим на расход топлива. Время зависит от условий  теплообмена на

торцах и боковой поверхности  рулонов металла. Известно, что для  прогрева

плотно смотанных рулонов в радиальном направлении требуется времени в несколько раз больше, чем для прогрева в аксиальном направлении. Это связано с тем, что коэффициент теплопроводности в радиальном направлении для стали составляет только 1,5-4 Вт/(мК), а в аксиальном направлении около 30 Вт/(мК). Низкие значения коэффициента теплопроводности в радиальном направлении связаны с наличием воздуха между витками рулона. Для обеспечения подвода необходимого количества теплоты к торцам рулонов служат специальные устройства, называемые конвекторными кольцами и размещаемые между рулонами. Они представляют собой набор узких параллельных спиралевидных каналов между плоскими пластинами. По каналам проходит горячий защитный газ, отдающий свою теплоту. Высота конвекторных колец – 50-120 мм. Равномерность нагрева металла определяется типом направляющего аппарата, расположенного в самом низу муфеля. Внутри аппарата располагается рабочее колесо циркуляционного вентилятора. Защитная атмосфера подсасывается в аппарат сверху вниз и распределяется

по периферии. Принцип работы колпаковой печи определяется технологическим

процессом, который делится на три  примерно одинаковые стадии: нагрев до 650-800 °С, охлаждение под муфелем до 150 °С и без него и последняя  стадия –разгрузка и загрузка стенда. Равенство времени по стадиям позволяет использовать три стенда с одним нагревательным колпаком и двумя муфелями. Загрузка металла заканчивается опусканием на стенд поверх стопы рулонов муфеля и нагревательного колпака. После этого подаётся

защитный газ (обычно смесь из 95 % N2 и 5 % Н2) и с помощью циркуляционного вентилятора осуществляется его циркуляция. Затем включаются горелки. Продукты горения проходят между нагревательным колпаком и муфелем и при помощи инжектора (инжектирующая среда – компрессорный воздух) удаляются в дымоотводы и в дымовой боров. Температура дыма перед инжектором около 630-660 °С. В колпаковых печах физическая теплота дыма обычно не утилизируется, что можно считать одним из недостатков печей. Защитный газ подается циркуляционным вентилятором в зазор между

муфелем и рулонами стопы. Газ равномерно распределяется по конвекторным кольцам  и через них попадает во внутренние полости рулонов, омывая их. Опускаясь  по внутренней полости стопы газ  возвращается в циркуляционный вентилятор. Кольца получают теплоту от защитного газа конвекцией и нагревают рулоны. Муфель излучает на боковую поверхность металла, но тепловой поток несущественен для нагрева рулонов из-за отмеченного ранее низкого коэффициента теплопроводности в радиальном направлении. Исключение делается для верхнего рулона, который получает теплоту на свой торец. Поэтому верхний рулон всегда греется быстрее других. В наихудших условиях нагрева и охлаждения находится нижний рулон. Проблемой является низкий коэффициент теплоотдачи от муфеля к защитному газу, в результате чего вынужденно поддерживаются высокими температура муфеля и температура дыма под нагревательным колпаком.

Это приводит к повышенной температуре  уходящих газов и высокому расходу  топлива.

2. Тепловой баланс  ВТУ.

Ориентировочный вид  теплового баланса камеры сжигания топлива колпаковой печи (под нагревательным колпаком) приведен в табл. При составлении  баланса принято следующее. Происходит нагрев стопы из 4 рулонов стальной ленты диаметром 2,2 метра от 60 до 720 °С. Масса садки – 110,4 тонны. Время нагрева – 50 часов. Допустимая разница температур по объему садки – 50 °С. Топливо – коксодоменная смесь с низшей теплотой сгорания 6,65 МДж/м3.В данном примере удельный расход топлива составил 1129/29,3 =39 кг у.т./т металла. Обычно удельный расход топлива в одностопных кол-во 135 паковых печах в зависимости от режима термообработки составляет от 35 до 50 кг у.т./т металла.

Таблица

Ориентировочный тепловой баланс колпаковой печи

(на 1 кг нагретого металла)

Приход   кДж/кг

1. Химическая энергия  топлива 1129

2. Физическая теплота  металла(t = 60 °С) 29

3. Физическая теплота  воздуха для горения (t = 20 °С) 6

4. Физическая теплота  топлива (t = 20 °С) 4

                                                        Итого 1168

Расход кДж/кг

1.Физическая теплота  нагретого металла (t = 705 °С) 437

2. Физическая теплота  продуктов горения топлива (t = 900 °С) 615

3. Потери теплоты теплопроводностью  через кладку 66

4. Прочие потери теплоты 50

                                                        Итого 1168

 

15. Главным недостатком колпаковых  печей является затраты большого  количества топлива, ниже приведены  пути снижения его расхода.

Пути экономии топлива  в колпаковых печах:

1. использование рекуператоров  для подогрева воздуха до 350-390. °С, что

снижает расход топлива на 17-20 %;

2. интенсификация теплообмена между  нагревательным колпаком и муфелем  (специальная обмазка внутренней  поверхности нагревательного

колпака, скоростные горелки и т.п.);

3. разработка оптимальной конструкции  конвекторных колец, обеспечивающих высокую теплоотдачу к торцам рулонов и имеющих низкое

гидравлическое сопротивление;

4. применение в кладке волокнистых  огнеупорных материалов, позволяющих  примерно в 2 раза снизить потери  теплоты на аккумуляцию

кладки;

5. разработка конструкции печи с условиями теплообмена на всех торцах

рулонов, похожими на условия для  верхнего торца верхнего рулона;

6. замена двух колпаковых печей  одной реверсивной печью, принцип  которой аналогичен работе стана  Стеккеля: две обогреваемые камеры с

печными моталками. Но в отличие  от стана Стеккеля, между камерами

с моталками находится система  стационарных и подвижных роликов,

подогревающих или охлаждающих  ленту рулона при перематывании;

7. изменение схемы подачи защитного  газа: газ подается циркуляционным вентилятором не по периферии, а по центру рулона и через кон-

векторные кольца выбрасывается струями  на стенки защитного муфеля.

При этом резко увеличивается теплоотдача  на внутренней поверхности муфеля, что приводит к сокращению времени  цикла термообработки на 20-30 % и сокращению расхода топлива.

8.Применение современных газогорелочных  устройств, автоматическим регулированием  соотношения «газ-воздух». Применение  рекуперативных, плоскопламенных, импульсных, акустических горелок.