Конструкция, методика расчёта толкательных методических печей

     Отличительной чертой этих печей является повышенный угар металла и большие затраты  труда (в том числе физического) на перекатывание заготовок и  чистку подины от окалины.

     Повышенный  угар металла (до 3,5 – 4%) в ролевых  печах объясняется тем, что при перекатывании заготовок образовавшаяся окалина отскакивает и оголившийся металл окисляется вновь.

     Большое количество опадающей на под окалины  вызывает интенсивное нарастание подины и препятствует нормальному перекатыванию  заготовок. Поэтому остановившиеся заготовки очень часто приходится перекатывать вручную. Быстрый рост подины заставляет часто выполнять ее чистку от окалины, что является весьма продолжительной и очень трудоемкой операцией.   

     1.1 Профиль печного  канала 

     Современные методические нагревательные печи по конфигурации свода можно подразделить в основном на три типа:

     1) печи, состоящие из конструктивно  обособленных последовательно расположенных  камер, в которых благодаря  герметизации печных стенок и  соответствующему расположению  топливосжигающих устройств создается интенсивная циркуляция газовой среды (рисунок 3). Это приводит к тому, что в объеме каждой из таких камер устанавливается практически одинаковая температура газовой среды и печных стенок и, следовательно, создается предпосылка к применению метода расчета нагрева металла при условии t_г=const. Исключения представляют: зона I (методическая), где происходит теплообмен с изменением температуры теплоносителей, соответствующим противотоку, и зона III (выдержки), в которой температура среды должна изменяться согласно требованиям режима выдержки.

     

 

     Рисунок 3 – Трехзонная методическая печь с интенсивной циркуляцией газов в герметизированном рабочем пространстве 

     Вследствие  того, что камеры данной печи конструктивно  обособлены, теплообмен излучением вдоль печного канала не имеет существенного значения;

     2) печи, подразделенные на ряд камер  с самостоятельным вводом топлива,  в которых режимы движения  и горения газов таковы, что  в пределах каждой камеры (распространенный  пример конструкции представлен на рисунке 4) эффективная температура печной среды изменяется. Ввиду этого упрощающее условие t_г=const к данным печам неприменимо, и в процессе расчета приходится определять изменение температуры печной среды по длине отдельных камер.

     

     I – III – зоны по теплотехническим признакам; 1 – 5 – зоны по конструктивным признакам  

     Рисунок 4 – Трехзонная методическая печь  

     Благодаря перепаду высоты печного канала на границах камер излучение вдоль  печи так же, как в предыдущем случае, не может быть существенным;

     3) печи, не имеющие на всем протяжении  или на значительных по длине  участках каких-либо пережимов  свода, отделяющих части печного  канала одну от другой (рисунок 5), характеризуются непрерывным изменением температуры печной среды. Однако тепловые потоки, воспринимаемые нагреваемым материалом, не определяются местной эффективной температурой вследствие весьма существенного переноса лучистого тепла вдоль печи.

     

     Рисунок 5 – Двухзонная методическая печь с неканализированным  подом и рассредоточенным подводом тепла 

     Профиль свода методических печей в значительной мере соответствует графику изменения  температуры по длине печи (рисунок 6).

     

     Рисунок 6 – Изменение температуры газов и металла по длине методической печи 

     1.2 Конструкция пода и транспортирующих устройств 

     Возможны  следующие основные конструктивные варианты:

     1) сплошной (неканализированный) под  с неохлаждаемыми опорами и  другими устройствами для транспорта  заготовок;

     2) канализированный под с неохлаждаемыми  или охлаждаемыми транспортирующими устройствами.

     Конструкции без охлаждения влияют по существу только на величину эффективной поверхности  нагреваемого материала. Конструкции, включающие охлаждаемые элементы, отнимают тепло от рабочего пространства и  нагреваемого материала.  

     1.3 Режим нагрева материала и способ выдачи его из печи  

     Укрупнено этот режим может быть определен  как трехзонный и двухзонный.

     При работе печи по трехзонному режиму (рисунок 7) в первой по ходу металла зоне (зоне I или методической) происходит нагрев металла за счет физического тепла продуктов сгорания, которое завершается на границе зон I и II, обозначенной на рисунке 5 цифрой 1. Так как отдача физического тепла вызывает охлаждение газов, то их температура по длине зоны I заметно снижается.

     I – III – зоны печи; 0, 1, 2, 3 – границы расчетных зон; t _п.н – температура нижней поверхности заготовки (только для зоны III); точечный пунктир – температура газов, введенных в торце зоны II  

     Рисунок 7 – Схема трехзонной методической печи и ее температурного режима 

     В зоне II – сварочной, сжигается топливо и на поверхности нагреваемого материала достигается максимальная температура. Выделение тепла при горении в той или иной мере компенсирует отдачу тепла газами, и этим сдерживается снижение их температуры. Однако обычно при введении топлива через торцовые горелки (или форсунки) наблюдается снижение температуры газов от границы 2 к границе 1 и к торцовой стенке, в которой установлены топливосжигающие устройства.

     Первое  обусловлено усиленным отбором  тепла более холодными заготовками, поступающими из зоны I в зону II. Второе объясняется тем, что вблизи горелок или форсунок только начинается нагрев газов теплом, выделяющимся при горении.

     Очевидно, что повышением тепловыделения в начале и конце зоны II путем соответствующего расположения горелок или форсунок можно добиться выравнивания температуры газов по длине всей зоны.

     Назначением зоны III является выравнивание температуры в объеме нагреваемых заготовок. При движении последних по водоохлаждаемым глиссажным трубам на нижней поверхности заготовок остаются полосы с пониженной температурой (темные полосы). Нахождение заготовок на сплошном поде зоны III позволяет выровнять нагрев нижней поверхности и одновременно уменьшить перепад температуры на толщине заготовок.

     Двухзонный  режим работы методических печей предусматривает нагрев металла в зонах I и II, но исключает выдержку. Любая из печей, изображенных на рисунках 3 – 5, конструктивно обеспечивая возможность трехзонного режима работы, является пригодной и для работы по двухзонному режиму, т. е. с повышением температуры поверхности заготовок до самого момента выдачи их из печи.

     Большое значение для работы методических печей имеет способ выдачи металла из печи. Различают торцовую и боковую выдачи металла. При торцовой выдаче необходим один толкатель, который выполняет и роль выталкивателя. Для печей с боковой выдачей устанавливают не только толкатель, но и выталкиватель, поэтому такие печи при размещении в цехе требуют больших площадей. Однако с точки зрения тепловой работы печи с боковой выдачей имеют преимущества. При торцовой выдаче через окно выдачи, расположенное ниже уровня пода печи, происходит интенсивный подсос холодного воздуха. Явление подсоса усиливается инжектирующим действием горелок, расположенных в торце томильной зоны. Подсосанный в печь холодный воздух вызывает излишний расход топлива и способствует интенсивному зарастанию подины печи образовавшейся окалиной.

     В методических печах с нижним обогревом  металл проталкивается по водоохлаждаемым  глиссажным трубам.   

      

     1.4 Глиссажные трубы методических печей 

     Как отмечалось, нагреваемый металл в методических печах с нижним обогревом передвигается по водоохлаждаемым глиссажным трубам. На каждый ряд двигающихся в печи заготовок устанавливают по две продольные глиссажные трубы. Расстояние между ними составляет ~ длины заготовки. Для предохранения трубы от истирающего воздействия двигающегося металла к ней приваривают металлический пруток. Продольные глиссажные трубы в пределах значительной части методической зоны печи опираются на продольные огнеупорные столбики (рисунок 8).  

     

 

     Рисунок 8 – Глиссажные трубы трехзонной нагревательной печи 

     В пределах высокотемпературной зоны продольные глиссажные трубы опираются  на поперечные водоохлаждаемые трубы, расположенные на расстоянии 1 – 1,5 м одна от другой. Концы поперечных труб выведены за пределы печи и прикреплены к вертикальным стойкам каркаса печи. В середине поперечные глиссажные трубы опираются на вертикальную опору, выполненную из пары водоохлаждаемых труб, футерованных снаружи огнеупорным кирпичом.

     Водоохлаждаемые глиссажные трубы оказывают большое  влияние на тепловую работу зоны нижнего  обогрева и тепловую работу печи в  целом. Расход тепла с охлаждающей  водой в методических печах составляет 10%, а иногда и более от всего количества поступающего в печь тепла. Кроме того, глиссажные трубы оказывают значительное охлаждающее действие на металл и препятствует его равномерному нагреву. В связи с этим стремятся выполнить снаружи тепловую изоляцию глиссажных труб, чтобы снизить поступление тепла к стенке трубы и ослабить ее охлаждающее действие. В качестве тепловой изоляции глиссажных труб применяют всевозможные огнеупорные обмазки. Чтобы тепловая изоляция не отлетела, пользуются различными приемами: приваривают металлические прямые и изогнутые штыри, выполняют из огнеупорных масс специальные огнеупорные блоки, которые нанизываются на трубу. Выделяют три перспективные конструкции глиссажных труб:

     1) с набивкой огнеупорной массы  между шипами, приваренными непосредственно к трубам;

     2) с набивными блоками (рисунок 9, а);

     3) со сборными блоками из керамических сегментов (рисунок 9, б).

     Потери  тепла с охлаждающей водой  при использовании набивной на шипы изоляции по сравнению с потерями при неизолированной трубе снижаются в 2 – 3 раза, а при навесной изоляции из сегментов или блоков потери удается снизить в 4,6 – 6,3 раза. Значительная разница в эффективности изоляции объясняется тем, что набивная на шипы изоляция из-за большей массы металла в ней характеризуется значительно более высокой, чем блочная изоляция, средней теплопроводностью.

     Промышленная  проверка срока службы блочной изоляции показала, что для большинства  печей, отапливаемых газом, где температура  под металлом не превышает 1375^о вполне применимы для изоляции подовых труб набивные и сборные шамотные блоки, срок службы которых в указанных условиях составляет от 9 месяцев (в области повышенных температур) до 2 лет (в области пониженных температур).

     В печах, отапливаемых мазутом, где температура  под металлом достигает 1500^о, хорошие результаты показали набивные блоки, изготовленные из магнезитовой (магнезитохромитовой) массы, срок службы которых составляет более 9 месяцев.  

       

     а – набивные блоки; б – сборные блоки 

     Рисунок 9 – Изоляция глиссажных труб

     Опыт  изоляции труб промышленных печей показал, что при наличии готовых блоков нанесение изоляции по всей печи занимает 5 – 8 часов. После нанесения изоляции печь сразу же может быть поставлена на разогрев по обычному графику.

     Следует подчеркнуть, что кроме отмеченного выше значительного снижения потерь тепла с охлаждающей водой, нанесение изоляции на трубы в печи сопровождается, как правило, повышением температур на 150 – 200^о, что существенно улучшает условия теплообмена металла с печными газами.

 

      2 Методика расчета  

     Рассчитать  пятизонную методическую печь с нижним обогревом производительностью  =72,22 кг/с (260 т/ч) для нагрева слябов сечением 210 1400  мм и длиной 10500 мм. Конечная температура поверхности металла =1250^оС. Перепад температур по сечению сляба в конце нагрева =50^оС. Материал слябов – сталь 35. Топливо – смесь природного и доменного газов с теплотой сгорания =20,9 МДж/м³. воздух подогревается в керамическом блочном рекуператоре до =450^оС.