Исследование методов охлаждения садки колпаковой печи с помощью математического моделирования

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 0С /2/.

Таблица 6

Сравнительные данные по охлаждению рулонов в колпаковых печах разных

фирм

| | |ера, | | |сть, |

| | |% | |ч |т/ч |

| | |Н2 |N2 | | | |

|Стальпроект|Выносные холодильники без |5 |95 |143,2 |91,9 |1,56 |

|(ЛПЦ-2) | | | | | | |

|Эбнер |Водовоздушное охлаждение |5 |95 |79 |29 |2,72 |

|Эбнер, НЛМК|Водовоздушное охлаждение |25 |75 |96 |19 |5,1 |

|LOI |Выносные холодильники с | - |100|110 |19 |5,6 |

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

[pic]

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 0С 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 0С. После 40 часов работы с начала охлаждения влажность

стабилизировалась на уровне - 30 0С. В итоге металл получили светлым,

подсосов воздуха в циркуляционный контур модулей в процессе их работы не

наблюдалось.

Производительность установки оказалась не ниже, чем на печах фирмы

«Эбнер» с водовоздушным охлаждением муфеля (табл. 7 ).

Таблица 7

Результаты опытно-промышленной эксплуатации установки ускоренного

охлаждения

|т |т | |охлаждения |при |горелок и |

| | | |ч |до 140 0С, |установки, |

| | | | |т/ч |ч |

|148,0 |40,0 |0,8(1005 |40 |3,70 |15 |

|116,8 |31,0 |1,6(1015 |45 |2,57 |21 |

|159,0 |39,8 |0,8(1255 |46 |3,45 |19 |

|99,8 |33,3 |0,5(1005 |40 |2,49 |17 |

| 131,7 |34,5 |0,7(1005 |50 |2,63 |16 |

|99,7 |28,8 |0,7(1255 |33 |3,02 |13 |

|163,2 |40,8 |0,54(1025 |51 |3,20 |11 |

|120,2 |33,8 |0,5(985 |48 |2,50 |15 |

Сконструировали, изготовили и опробовали в промышленных условиях

установку ускоренного охлаждения стальных рулонов массой до 45 т в

колпаковых печах. Установка представляет собой спаренные выносные

газоводяные теплообменники со специальными вентиляторами в рециркуляционном

контуре защитного газа. Использование установки позволяет сократить

продолжительность охлаждения садки не менее, чем на 40 % (30 часов) и

получить производительность охлаждения не ниже, чем для водородных печей

фирмы «Эбнер» с водовоздушным охлаждением муфеля /5/.

Разработанные фирмой «Эбнер» (Австрия) в начале 70-х годов для цветной

металлургии и в конце 70-х годов нашедшие применение в стальной индустрии

колпаковые печи HICON/H2 R завоевали себе прочное место. К концу 1991 года

в выпускаемых фирмой «Эбнер» колпаковых печах HICON/H2 R отжигалось

примерно 6 млн. т/г холоднокатаной широкой полосы (материал глубокой

вытяжки, нормального качества и высшей прочности) и приблизительно 1 млн.

высокоуглеродистых и легированных сталей.

На газонепроницаемой фундаментальной плите смонтирован корпус стенда из

жаропрочной стали с теплоизоляцией (более 500 мм по высоте стенки),

заключенный в вогнутый металлический кожух, который даже после нескольких

лет работы в горячем режиме остается герметичным. Герметичное резиновое

кольцевое уплотнение охлаждается с двух сторон (стенда и фланца муфеля)

водой. Двигатель вентилятора также герметизирован при помощи

водоохлаждаемого колпака и круглого резинового уплотнения.

Для того, чтобы крыльчатку диаметром почти 1 м с числом оборотов 1500

привести в действие без вибрации (многолетняя разработка фирмы «Эбнер»),

вал вентилятора, подшипники и двигатель (55 кВт, 2 скорости вращения)

должны быть выполнены чрезвычайно устойчивыми, но несмотря на это расход

электроэнергии, благодаря очень легкому водороду (1/14 от плотности N2),

падает примерно до 6 кВт. Уже через 15 минут с начала нагрева (можно и

также в азотной среде) включать максимальное число оборотов и этим достичь

быстрого нагрева.

Охлаждение в установке HICON/H2 R осуществляется при помощи

комбинированного воздушно-водяного охлаждающего колпака, благодаря чему

достигается особо короткое время охлаждения и возможно использовать простой

фундамент без подвала.

Поскольку тангенциальное расположение высокоскоростных горелок с

ограничением температуры до 850 0С и высокая внутренняя конвекция водорода

не допускают перегрева муфеля, а полностью автоматизированный подвод к

муфелю вначале воздуха, а затем воды для охлаждения муфеля (при температуре

стенки муфеля около 200 0С) проводится щадящим образом, то срок службы

муфеля достигает примерно 500 циклов отжига.

При применении правильно выбранной жаропрочной легированной Cr-Ni стали

для изготовления определенных частей муфеля - в расчете на обычное качество

охлаждающей воды - не происходит как быстрого образования окалины, так и

появления трещин, возникающих в муфеле в результате напряжений.

Срок службы муфеля при режиме наружного охлаждения несколько

продолжительнее, однако при этом не возмещаются расходы на

капиталовложения, техническое обслуживание и производство. Дорогостоящая

наружная охладительная система должна быть смонтирована под каждым стендом

в дорогостоящем подвале, хотя на заключительное охлаждение используется

всего лишь 1/3 времени всего цикла отжига. Кроме того, из-за входного и

выходного отверстий в стенде металлический кожух, обеспечивающий

герметичность на продолжительный срок, невозможен. При выходе из строя

одного наружного охладителя блокируется весь стенд, в то время, как при

выходе из строя или замене одного муфеля производительность отжига ни в

коей мере не снижается.

Количество продувочного азота при помощи измерительной диафрагмы

контролируется на чистой стороне входа газа. Последующий подвод азота и

затем водорода согласовывается с процессом испарения остатков смазочных

материалов при постоянном контроле давления. При падении давления сразу же

осуществляется аварийная продувка азотом.

После контроля плотности в горячем состоянии в среде Н2 закрывается

выходной клапан водорода, снимается нагревательный колпак, устанавливается

охлаждающий колпак и начинается воздушное охлаждение. К началу водяного

обрызгивания возникает кратковременное (около 1 минуты) легкое

парообразование, которое никоим образом не может изменить общую влажность

воздуха в цехе (ниже допустимых пределов). После охлаждения сердцевины

рулонов до 160 0С или до 50 0С (дрессировочная температура) следует вторая

продувка азотом.

Вся система защиты колпаковой печи HICON/H2 R обеспечивается надежным при

рентгеноконтроле сварным резервуаром (муфель и двойной кожух стенда). Эта

система была опробована во всем мире компетентными организациями и

наилучшим образом оправдала себя в производстве.

В противоположность этому, в традиционных колпаковых печах испытание на

плотность в холодном состоянии невозможно (контактное уплотнительное кольцо

вала крыльчатки, резиновое кольцо круглого сечения охлаждается только с

одной стороны). Продувка азотом должны контролироваться газоанализаторами,

так как объем не четко определен (открытый стенд, наружное охлаждение).

Анализаторы должны быть подключены к содержащему масляные пары выходу

защитного газа, являются ненадежными и требуют постоянного технического

обслуживания.

Время выдержки на стенде, необходимое для получения материалов высшего

качества ((t=30 0С, (t=20 0С), равно 45-48 часам, что соответствует

производительности свыше 2 тонн в час, то есть вдвое больше, чем в

традиционной колпаковой печи с применением газа HNX, и это без перегрева

внешних витков. Таким образом, участок, состоящий из 10 стендов, отжигает в

месяц примерно 15000 тонн.

При охлаждении до температуры дрессировки время выдержки увеличивается

всего лишь на 10 часов, а производительность стенда при этом все еще

сохраняется в пределах 1,7 тонны в час. Дополнительные затраты выражаются в

виде двух добавочных стендов и двух охлаждающих колпаков. Но при этом

отпадает необходимость конечного охлаждения в местах с воздушным

охлаждением, которое зачастую длится 2-3 дня. К тому же исключается расходы

на дополнительный транспорт и опасность повреждения и коррозии.

Данные о расходе по сравнению с традиционными колпаковыми печами также

свидетельствуют о результативности данных печей: благодаря экономящему

энергию регулятору непрерывного действия, широко расставленным друг от

друга высокоскоростным горелкам, большому центральному рекуператору и

значительно сокращенному времени отжига расход природного газа, составляет

примерно 17 м3/ч. Условием для получения возможно более низких тепловых

потерь является газонепроницаемый вогнутый стенд с высокой степенью

изоляции, в которую не может проникнуть водород, несмотря на его хорошую

проницаемость.

На основании конвекции, проводимой наилучшим образом и получаемой за счет

оптимально выбранных входного и выходного диффузоров, высокой несущей

плиты, вогнутого герметичного стенда, вентилятора с большим диаметром

всасывания и мощным двигателем, позволяющего очень быстро набрать полное

число оборотов, и возможность продувки азотом во время нагревания и

конечного охлаждения без потери времени на простой, достигается наиболее

высокая производительность стенда, примерно на 20 % выше производительности

печной установки конкурента (то есть фирмы LOI).

Описанная конструкция установки и достигнутые при этом преимущества делают

объяснимым, почему система HICON/H2R завоевала прочное место в мире.

Имеющиеся в наличии многочисленные рекомендации от потребителей указывают

на то, что с появлением этой конструкции развилась новая технология

производства, которая утвердила себя наравне с методом непрерывного отжига

автолистовой стали, впервые запущенного в производство в Японии.

Еще одно изобретение, в котором ускорение процесса охлаждения достигается

тем, что поток охлаждающего воздуха делится на два, причем один движется

снизу, а другой - сверху до отсасывающих патрубков вентиляторов, которые

располагаются в районе от1/3 до 2/3 высоты муфеля /4/.

Заявленный способ реализуется в устройстве для охлаждения металла в

колпаковой печи, содержащем цилиндрический кожух, стойки и вентиляторы, в

котором с целью ускорения процесса охлаждения металла, кожух выполнен

открытым с обоих торцов, что обеспечивает получение открытых кольцевых

зазоров для забора воздуха из цеха и снизу, и сверху, а патрубки с

вентиляторами для удаления его из пространства между муфелем и кожухом

охлаждающего колпака установлены в области от 1/3 до 2/3 высоты муфеля.

Общий вид предлагаемого устройства для охлаждения садки колпаковой печи

представлен на рис. 2. Оно включает: общий коллектор, соединительный

фланец, опоры, направляющие, вертикальные стояки и гибкий шланг. Стояки

имеют круглые или щелевые отверстия, обращенные к охлаждаемой поверхности

муфеля. Общий коллектор имеет 1-2 ряда отверстий, также обращенных к

охлаждаемой поверхности. На общем коллекторе со стороны соединительного

фланца закреплены баки с водой, соединенные с коллектором эжектирующими

трубками. Общий коллектор соединен вертикально несущими и центрирующими

стояками с траверсой, на которой установлена проушина для крюка мостового

крана.

Колпак импульсного охлаждения муфеля.

[pic]

стенд; 2- воздушный коллектор; 3 - воздушные патрубки; 4- муфель; 5 -

питающая труба; 6- рулоны; 7- радиационно-конвективные кольца.

Рис.2

Данный способ реализуется также в устройстве, отличающимся от

вышезаявленного тем, что с целью обеспечения равномерного заполнения

движущимся воздухом кольцевого зазора между муфелем и кожухом колпака

охлаждения, на внутренней поверхности кожуха, обращенной к муфелю,

равномерно с разбивкой по окружности на интервалы 15-30 0 приварены ребра

высотой 1/3-2/3 величины зазора, причем начало и окончание ребра, которые

не доходят до уровня отверстий отводящих патрубков на расстояние 50-500 мм,

смещены относительно друг друга на 60-90 0.

Данный способ реализуется также в устройстве, отличающегося от

вышезаявленного тем, что с целью интенсификации теплообмена на внутренней

поверхности кожуха, обращенной к муфелю, устанавливается два ряда ребер -

нижний и верхний, расположенных симметрично по оси отверстий патрубков

вентиляторов один над другим на расстоянии и с промежутком 1/10 высоты

муфеля от верхнего и нижнего края колпака, каждое из которых выполнено из

двух отрезков, образующих между собой угол 120-150 0, причем длина

отрезков верхнего ряда в два раза меньше, чем нижнего, длина которого

составляет 0,5-0,7 длины 1/4 окружности муфеля.

Заявленный способ охлаждения металла в колпаковой печи заключается в том,

что поток охлаждающего воздуха делится на два, причем один движется снизу,

а другой - сверху до отсасывающих патрубков вентиляторов. Колпаковая печь

содержит стенд со встроенным циркуляционным вентилятором и направляющим

аппаратом, а также расположенный на стенде муфель, уплотненный песочным

затвором. Под муфелем установлены рулоны, разделенные по высоте

конвекторными кольцами. В период охлаждения на стенд устанавливается

специальное устройство, которое содержит кожух, стойки, устройство для

транспортировки. В кожухе выполнены два отверстия, к которым присоединены

патрубки. В последних расположены вентиляторы с электроприводом.

Данное устройство работает следующим образом. После окончания периода

нагрева и выдержки стопы рулонов в колпаковой печи нагревательный колпак

переносится на другой стенд, а вместо него с помощью крана за специальное

устройство сверху на стопу, закрытую муфелем, устанавливается устройство

охлаждения. Опоры располагаются на стенде. После фиксации кожуха на стенде

подключается к электропитанию приводы вентиляторов, которые начинают

просасывать холодный воздух из цеха через два кольцевых зазора сверху и

снизу кожуха.

Основные преимущества предлагаемой конструкции следующие. В два раза

уменьшается длина образующей муфеля, относительно которой движется воздух,

поэтому его температура в среднем ниже и коэффициент теплоотдачи от муфеля

выше и, следовательно, теплообмен в системе муфель-кожух более интенсивен.

Так как поток разбивается на два, то уменьшается количество воздуха,

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6

МЕНЮ

Исследование методов охлаждения садки колпаковой печи с помощью математического моделирования

ИНТЕРЕСНОЕ