Лекция № 15. Общая характеристика нагревательных печей.

 

Общая характеристика теплообменных процессов, протекающих в пламенных печах.Теплообмен в пламенных печах представляет собой весьма сложный процесс, который складывается из теплоотдачи излучением и конвекцией. В высокотемпературных печах с рабочей температурой более 750 - 800 °С преобладает теплообмен излучением, в низкотемпературных печах с рабочей температурой менее 400 - 450 °С преобладает конвекция, в промежуточной области одинаково значимую роль играют оба вида теплообмена. В плавильных печах и печах для нагрева металла перед обработкой давлением преобладающим видом теплообмена является излучение. В процессе передачи тепла излучением в рабочем пространстве таких печей участвуют практически три компонента: пламя (раскаленные газы), кладка и нагреваемый (проплавляемый) материал. Всем им свойственны свои температуры и радиационные характеристики. Требуемая рабочая температура в печи определяется ее назначением и обеспечивается выбором соответствующего топлива и метода его сжигания.

Большое влияние на теплообмен в нагревательных пламенных печах оказывает взаимный характер движения теплоотдающих раскаленных газов (пламени) и теплопотребляющего металла. Здесь возможны два случая: противоточное и прямоточное движение теплоносителей. Противоток является наиболее совершенной схемой взаимного движения теплоносителей, поскольку холодный теплоноситель может нагреться до температуры, превышающей конечную температуру более нагретого теплоносителя. Подобное положение при прямотоке невозможно. Поэтому методические нагревательные печи в подавляющем большинстве работали по противоточной схеме движения раскаленных газов и нагреваемого металла. Однако, в прямоточной схеме движения теплоносителей, в начальной ее части, где имеет место очень большой перепад температур между горячим и холодным теплоносителем, заключены большие резервы для интенсификации теплообмена на поверхность нагреваемого металла. Этот перепад температур быстро уменьшается и делать печь, работающую целиком по принципу прямотока нецелесообразно, но создание печей со смешанным прямоточно-противоточным характером движения газов и металла представляется весьма перспективным.

Нагревательные печи.

Тепловой и температурный режим печи для нагрева слитков.

Современные нагревательные колодцы являются камерными печами периодического действия с переменными во времени тепловым и температурным режимами. В подавляющем большинстве нагревательных колодцев нагрев металла осуществляется садками, т. е. после выдачи всех нагреваемых слитков ячейки колодцев вновь загружают слитками. В результате частого открывания крышки при выдаче и посадке слитков кладка рабочего пространства нагревательных колодцев охлаждается. Поэтому при работе колодцев на горячем посаде в первый момент нагрева температура слитков выше температуры поверхности кладки и основной потребитель тепла в этот период – кладка колодца.

 

В начальный период нагрева подают максимальное количество тепла, соответствующее тепловой мощности колодцев. После того, как кладка достигнет своей рабочей температуры, начинается интенсивный нагрев металла.

 

Расход тепла поддерживают максимальным до тех пор, пока темпера-тура той части слитка, которая нагревается быстрее, не достигнет предельного значения. Этот период называется периодом нагрева. Вслед за ним наступает период томления, в течение которого происходит постепенное уменьшение расхода тепла, так как в течение этого времени температура поверхности слитков остается постоянной и тепло расходуется только на прогрев слитка по сечению. В этот период температура отходящих продуктов сгорания остается приблизительно постоянной.

 

Тепловую мощность нагревательных колодцев выбирают так, чтобы обеспечить быстрый подъем температуры кладки и поверхности слитков в начале нагрева. При заниженной тепловой мощности период нагрева затянется, а период выдержки сократится, и полный цикл нагрева будет нерационально большим. При завышенном максимальном расходе топлива период нагрева сократится, но увеличится неравномерность температуры по сечению слитка и период выдержки затянется. Это также вызовет чрезмерное увеличение длительности полного цикла нагрева.

 

Рабочая температура в нагревательных колодцах составляет 1350 - 1400 °С. Для обеспечения такой рабочей температуры нужно сжигать топливо так, чтобы калориметрическая температура горения достигала 2100-2200 °С.

Тепловой режим печей для нагрева блюмов и слябов.

 

Тепловой и температурный режимы проходных нагревательных печей неизменны во времени. Однако температура по длине печи может быть неизменна, но может и значительно меняться.

Режим работы печей, при котором температура в рабочем пространстве практически неизменна, называется камерным. Если температура по длине печи переменна, то такой режим называется методическим. Характер изменения температуры раскаленных газов и поверхности нагреваемого металла по длине печи зависит в первую очередь от характера взаимного движения газов и металла, который может быть противоточным и прямоточным. Прямоточный режим допустим практически только при нагреве тонких в тепловом отношении заготовок. Печи с прямоточным движением теплоносителей встречаются пока сравнительно редко. На противоточном режиме в настоящее время работает подавляющее большинство проходных нагревательных печей.

 

Если нагревается тело массивное в тепловом отношении, то резкое повышение температуры поверхности может быть причиной возникновения чрезмерного температурного перепада. Поэтому массивные изделия нагревают сравнительно медленно, постепенно (методически), до тех пор, пока они не приобретут необходимых пластических свойств, т. е. до 500 °С.

 

Для нагрева заготовок, которые по своим размерам и свойствам ближе к тонкому телу, чем к массивному (например, слябы), созданы печи, работающие по режиму, занимающему промежуточное положение между камерным и методическим. Чтобы обеспечить на большем по длине участке печи высокую температуру, выполняют две сварочных зоны, в каждой из которых происходит сжигание топлива.

 

При нагреве заготовок, тонких в тепловом отношении, используют камерный режим, при котором поддерживается практически одинаковая температура по всему рабочему пространству. Обеспечение того или иного температурного режима работы печей достигается выбором метода отопления и соответствующего расположения горелочных устройств и дымоотводящих каналов. Для обеспечения камерного режима необходимо горелки (форсунки) и дымоотборные каналы равномерно распределить по длине рабочего пространства.

 

Методический режим нагрева металла имеет место в тех случаях, когда при встречном движении металла и дымовых газов горелочные устройства располагают на одном конце рабочего пространства в зоне интенсивного нагрева металла, а дымоотборные каналы - на другом, где металл загружается в печь. При этом дымовые газы будут постепенно остывать, отдавая тепло металлу, температура которого будет постепенно повышаться.

Выбор режима отопления определяет, по существу, изменение температуры по длине печи при любом методе транспортировки металла.

 

Методическая зона - первая (по ходу металла) с изменяющейся по длине температурой. В этой зоне металл постепенно подогревается до поступления в зону высоких температур (сварочную).

 

Зона высоких температур или сварочная - вторая по ходу металла. В этой зоне осуществляется быстрый нагрев поверхности заготовки до конечной температуры. Температура нагрева металла в методических печах обычно составляет 1150 - 1250 °С. Для иненсивного нагрева поверхности металла до этих температур в сварочной зоне необходимо обеспечивать температуру на 150 - 250 °С выше, т. е. температура газов в сварочной зоне должна быть 1300 - 1400 °С.

 

Томильная зона (зона выдержки) третья по ходу металла. Она служит для выравнивания температуры по сечению металла. В сварочной зоне до высоких температур нагревается только поверхность металла. В результате создается большой перепад температур по сечению металла, недопустимый по технологическим требованиям. Температуру в томильной зоне поддерживают всего на 30 - 50 °С выше необходимой температуры нагрева металла. Поэтому температура поверхности металла в томильной зоне не меняется, а происходит только выравнивание температуры по толщине заготовки.

 

Подобный трехступенчатый режим нагрева необходим в тех случаях, когда нагревают заготовки, в которых может возникнуть значительный перепад температур по толщине. Такие печи (с тремя зонами) называют трехзонными методическими печами.

 

В ряде случаев при нагреве тонких заготовок нет необходимости делать выдержку для выравнивания температур по сечению, так как возникший в сварочной зоне перепад температур небольшой. Томильную зону при этом не предусматривают и применяют двухзонные печи - с методической и сварочной зонами.

 

При нагреве металла перед прокаткой на листовых и сортовых станах иногда применяют методические печи, имеющие четыре и пять зон отопления, что позволяет повысить общий температурный уровень печи и получить большую производительность. В этом случае делают две или три сварочные зоны, в каждой из которых устанавливают горелки. Это дает возможность повышать температуру в конце (по ходу газов) методической зоны, уменьшить ее длину и увеличить общую длину сварочной зоны, в результате чего достигается более форсированный нагрев металла.

 

 

Рисунок – Модель сляба и блюма

 

 

Рисунок – Прокатный цех

Особенности тепловой работы шахтных печей цветной металлургии.

 

Тепловая работа шахтных печей цветной металлургии отличается рядом особенностей, обусловленных видом протекающих в них технологических процессов. Шахтные печи широко применяют на заводах цветной металлургии для плавки кусковой руды, брикетов, агломерата и различных промежуточных продуктов металлургического производства. Помимо этого шахтные печи используют для переплавки вторичных металлов и катодной меди. Конечным продуктом шахтной плавки в зависимости от вида технологического процесса могут быть штейн или черновой металл и шлак. При плавке кусковых материалов в печь сверху загружается шихта вместе с твердым топливом, роль которого обычно выполняет высококачественный кокс.

 

В зависимости от вида перерабатываемого материала топливные шахтные печи могут иметь два принципиально различных режима работы, основанных на газогенераторном и топочном процессах. Печи, работающие на базе газогенераторного процесса, применяют для плавки окисленных руд и аналогичных им по составу шихтовых материалов. В них на участке сжигания топлива наряду с генерацией тепла, протекают процессы образования газообразной восстановительной среды, содержащей большое количество оксида углерода (СО).

 

Шахтные печи цветной металлургии являются агрегатами непрерывного действия с режимом работы, характеризующимся неизменностью во времени основных параметров теплового и температурного режимов плавки. Конкретные значения параметров находятся в непосредственной зависимости от вида протекающего в печи технологического процесса и состава перерабатываемого сырья.

 

Тепловая работа шахтных печей для плавки никельсодержащего сырья отличается крайней сложностью и ее количественна оценка базируется на анализе теплового баланса процесса. Примерно 95 - 97% тепла, используемого в зоне технологического процесса, поступает в нее при горении твердого топлива и 3% в процессе шлакообразования. Эта энергия распределяется сред продуктов плавки следующим образом: примерно 40-45% расходуется на нагрев и расплавление шихты; 12-14% - на осуществление эндотермических реакций и 21-22% отводится с газообразным продуктами сгорания топлива и техническими газами. Потери тепла на нагрев воды в кессонах составляют 22-24%.

 

Температурный режим плавки расчету не поддается и выбирается опытным путем. При определении его параметров необходимо учитывать,

что протекающие в печи процессы нагрева расплавления шихты сопровождаются многочисленными экзо- и эндотермическими реакциями. Газообразные продукты сгорания топлива, фильтруясь через слой шихтовых материалов, поднимаются вверх по шахте и постепенно охлаждаются за счет того, что в процессе теплообмена передают тепло шихте и активно участвуют в эндотермических реакциях.

 

Тепло, полученное материалом слоя в процессе теплообмена, расходуется на нагрев и плавление шихты, а также на диссоциацию и сульфидирование.

 

В нижней части шахты, где накапливаются жидкие продукты плавки, температурный режим определяется условиями наиболее полного разделения шлака и штейна. Температура шлака, как правило, поддерживается на уровне 1400 ° С, температура штейна многом зависит от его состава.

⇐ Предыдущая12345

Поделиться: