Модернизация коридорной печи для нагрева рельсов под закалку

В.Ю.Рубцов, Д.В.Гаев, С.В.Борисов

АО «ЕВРАЗ-Нижнетагильский металлургический комбинат»

МОДЕРНИЗАЦИЯ КОРИДОРНОЙ ПЕЧИ ДЛЯ НАГРЕВА РЕЛЬСОВ ПОД ЗАКАЛКУ

Аннотация. Рассмотрен режим нагрева рельсов РП65 под закалку в условиях рельсоба-лочного цеха АО «ЕВРАЗ-НТМК». Произведено два опытных изменения режима нагрева заготовки. Выявлен недостаток неравномерности температуры рельсов при увеличении интенсивности нагрева. Предложено конструктивное решение, в виде установки частотных преобразователей на каждую зону печи и обеспечения разных скоростных режимов нагрева для пакетов с рельсами, при увеличении интенсивности нагрева и обеспечении равномерности получаемых температур в разных точках, тем самым увеличивая производительности печи.

Ключевые слова: коридорная печь, режим нагрева, рельс, ролики, зона нагрева, частотный преобразователь, термопара, скоростной режим.

Введение

Проходная печь - промышленная печь непрерывного действия для нагрева штучных изделий с механизированным транспортированием их через рабочее пространство. Такие печи применяют для нагрева металлических заготовок перед горячей обработкой давлением и при термообработке изделий и деталей, а также для обжига керамических и эмалированных металлических изделий и т.д.

В печах такого типа происходит перекрестное движение нагреваемого материала и нагревающих его газов. Эта схема реализуется при выполнении нескольких условий - размещении топливосжигающих устройств и каналов для удаления отходящих газов на продольных стенках печного канала и при транспортировании обрабатываемой продукции в осевом направлении. Проходные печи пригодны для реализации, как для высокотемпературных, так и низкотемпературных режимов тепловой обработки технологических материалов.

Тепловой режим проходных печей является постоянным по времени и переменным по длине печи. Температурный режим - одинаковая температура в каждом поперечном сечении, а по длине печи - либо одинаковая, либо переменная.

К проходным печам относятся:

- секционные печи скоростного нагрева, применяемые преимущественно для нагрева трубных и листовых заготовок перед прокаткой или для термической обработки труб, а также для нагрева круглых заготовок при прокатке стальных шаров;

- печи с кольцевым подом, используемые на трубо- и колесопрокатных цехах;

- коридорные печи с роликовым подом для термической обработки листов, прутков, рельсов, труб и других изделий, пригодных для перемещения вдоль печи вращающимися роликами.

Поступление изделий горячими, сразу после прокатки, в коридорную печь способствует повышению производительности печи и снижению расхода топлива. Отопление рабочего пространства производится горелками, установленными над и под роликами. Сверху иногда размещают сводовые горелки. Для боковой установки используются инжекционные горелки, подсасывающие воздух для горения из атмосферы, что позволяет избежать установки устройства разветвленной системы воздухопроводов, или двухпроводные горелки.

Боковые стены выполняют плоскими, в случае низкотемпературных печей - однослойными из малотеплопроводных материалов. Свод делают арочным или (при большой ширине печей) подвесным. В случае установки двухпроводных горелок воздух для горения подогревается в трубчатых рекуператорах до 300-350 °С, а топливо не подогревается. При использовании инжекционных горелок ни топливо, ни воздух (из атмосферы) не подогревают.

Приводные вращающиеся ролики в зависимости от рабочей температуры имеют водяное охлаждение: при температурах до 950 °С - только цапф, при 1000-1150 °С - всей оси. Количество этих роликов при данной длине печи определяется видом обрабатываемой продукции и возможностью ее деформации при нагреве. Шаг роликов с учетом возможности деформации изделий колеблется в пределах ср' = 300 + 800 мм. Минимальный межосевой промежуток относится к листу толщиной 0,5-1 мм при температуре его нагрева 1000-1150 °С, максимальный - к рельсу при операции отпуска (450-480 °С).

Печи с роликовым подом весьма перспективны, так как имеют наиболее совершенную систему транспортирования металла через печь, но недостатком таких печей является большие потери тепла с охлаждающей водой. Основным показателем работы печи является производительность, при этом зачастую режимы нагрева заготовки ограничены конструктивной возможностью печи.

Рассмотрим режимы нагрева на примере печи термического отделения рельсобалочно-го цеха АО «ЕВРАЗ-Нижнетагильский металлургический комбинат».

Характеристика печи

Закалочная печь предназначена для нагрева рельсов до температуры 820-850 °С перед объемной закалкой в масле. Общая длина 186,6 м и ширина 3,94 м по кладке. По длине печь разделена на семь зон. В первых пяти зонах происходит нагрев рельсов до заданной температуры, шестая - зона выравнивания, седьмая - камера боковой выдачи.

Рельсы транспортируются с помощью роликового пода, ролики установлены с шагом 1160 мм, диаметр ролика - 500 мм. Цапфы роликов водоохлаждаемые. Каждый ролик имеет индивидуальный привод.

Рабочее пространство печи представляет собой тоннель шириной 3016 мм и высотой от уровня пода до пучка свода печи 2683 мм. По ширине печи укладывается в одном пакете 11 рельсов типа Р-65. Каждая зона печи выше оси роликов, за исключением седьмой, поделена на съемные секции. Секция имеет стальной кожух, футерованный изнутри шамотным легковесным кирпичом. Толщина футеровки боковых стен - 464 мм, свод футерован шамотом класса Б (300 мм) и изолирован диатомовым кирпичом (116 мм).

Газ (коксодоменная смесь Qнр = 1500 ккал/м3) сжигается с помощью инжекционных горелок типа Н48/17,5. Всего в печи установлено 520 горелок. Продукты горения через отверстия 694x465 мм, расположенные в поде печи, удаляются в сборный боров сечением 3016х2310 мм, который между 5 и 6-ой зонами разделен перегородкой. Дымовые газы от зон 1-5 удаляются через котел-утилизатор «КУ-125» и дымовую трубу высотой 70 м. Дымовые газы от зон 6-7 удаляются дымовой трубой высотой 35 м.

Печь оснащена контрольно-измерительными приборами и системами автоматического регулирования температуры в каждой зоне.

Оценки степени прогрева рельсов

Был проведен тестовый нагрев двух опытных сверленых рельсов в закалочной печи термического отделения РБЦ с использованием накопителя измеряемых величин «черного ящика». Первый опытный рельс был установлен в четвертой позиции, а второй в последней по ширине пакета. В подготовленные отверстия опытных рельсов были установлены ХА-термопары: на глубину 40 мм и 1500 мм от переднего конца, и еще одна термопара для контроля температуры атмосферы печи на высоте около 30 мм от головки первого рельса (на расстоянии около 1500 мм от переднего конца).

Эскиз сверленого рельса и схема установки термопар и подставки для контейнера представлены на рис. 1 и 2.

Подставка Регистратор Отверстие Отверстие

В печь были посажены два пакета рельсов РП65 перед пакетом с опытными рельсами, и один пакет после опытного. Опытный пакет был посажен в закалочную печь в 14 часов 30 минут и нагревался в печи полный цикл в соответствии с ТИ 102-П.С-9-2010. Из опытного пакета был выдан один рельс на рольганг для закалки, температура которого на выдаче из печи составила 826 °С (по штатному прибору). Остальные рельсы пакета находились в 7-ой зоне в течение 27 мин, затем пакет начали передвигать по печи в сторону окна посада, и он был выдан в поперечный пролет в 16 часов 24 минуты. Длительность нагрева пакета с опытными рельсами в закалочной печи составила 59 мин, в 7-ой зоне пакет находился 27 мин.

Заданный и фактический температурные режимы в зонах печи представлены в табл. 1.

Таблица 1

Температурный режим по зонам закалочной печи

Режим Температура по зонам, °С

1 2 3 4 5 6 7

Заданный 740 760 830 840 845 830 830

Фактический (по термопарам) 708-755 743-766 818-845 833-848 839-853 828-832 820-840

Динамика нагрева опытных рельсов представлена на рис. 3.

1000

950

900

850

800

750

700

650

а 600

го п 550

?

п п 500

«

с 450

1- 400

350

300

250

200

150

100

50

0

зона1 > зона2 зона3 зона4 зона5 зона6 зона7

0 6 12 18 24 30 36 42 48 54 60 66 72 78 84 90 97 103 109 115 121 127

время нагрева, мин

т1,

Рис. 3. Нагрев опытных рельсов в закалочной печи

Температура по сечению рельсов на момент предполагаемой выдачи: т1 - 857 °С, т2 - 851 °С, т3 - 868 °С (см. табл. 2).

Таблица 2

Температура рельсов по сечению

Время замера Температура по точкам, °С Максимальный перепад

1 2 3 температуры, °С

На момент начала выдачи 857 851 868 17

Через 8 мин (конец выдачи) 835 836 850 15

Перепад температуры в одном рельсе (между т1 и т2) составил 6 °С. Максимальный перепад температуры между средним и последним в пакете рельсом (т2 и т3) составил 17 °С.

Также был проведен второй опыт. По сравнению с предыдущим опытом был скорректирован температурный режим. Во второй зоне температура увеличена с 760 до 780 °С, в третьей зоне с 830 до 840 °С, в четвертой с 840 до 850 °С. Корректировка сделана с целью увеличения скорости нагрева в первых зонах и дальнейшего выравнивания температуры в пятой и шестой зонах.

Пакет был набран из девяти рельсов: два рельса текущего производства (плавка №112072), пять рельсов для промышленности РП65 и два - опытных (с отверстиями для термопар). Рельсы текущего производства были установлены первыми в пакете, опытные рельсы - четвертым и девятым.

В подготовленные отверстия были зачеканены ХА-термопары. Термопары были установлены в следующем порядке: №1 - в четвертый рельс на расстоянии 1,5 м от переднего конца, №2 - в девятый рельс на расстоянии 1,5 м от переднего конца, №3 - в четвертый рельс на расстоянии 12,5 м от переднего конца, №4 - для контроля температуры атмосферы печи на высоте около 30 мм от головки четвертого рельса на расстоянии 1,5 м от переднего конца. Регистратор данных («черный ящик») был установлен на специальную подставку, расположенную на пакете.

Эскиз сверленого рельса и схема установки термопар и подставки для контейнера представлены на рис. 1 и 4.

Подставка Регистратор

Рис. 4. Схема установки регистратора данных на пакет с рельсами

Посад пакета с опытными рельсами производился за двумя пакетами с рельсами для промышленности РП65 (по 8 штук в пакете), причем первый пакет находился в первой зоне около 1 часа, необходимого для оформления опытного пакета. После опытного пакета производился посад одного пакета рельсов РП65 (7 штук в пакете).

Опытный пакет был посажен в закалочную печь в 15 часов 10 минут и нагревался в печи полный цикл в соответствии с ТИ 102-П.С-9-2010. Из опытного пакета было выдано два рельса для закалки, температура которых на выдаче из печи составила 843 и 846 °С (по штатному прибору). Остальные рельсы пакета находились в седьмой зоне в течение 13 мин, затем пакет начали передвигать по печи в сторону окна посада, и он был выдан в поперечный пролет в 17 часов 7 минут. Длительность нагрева пакета с опытными рельсами в закалочной печи составила 57 мин, в седьмой зоне пакет находился 13 мин.

Заданный и фактический температурные режимы в зонах печи представлены в табл. 3 и на рис. 5. Калорийность смешанного коксо-доменного газа по показаниям калориметра во время проведения исследований изменялась от 1286 до 1370 ккал/м3, и составила, в среднем, 1330 ккал/м3. В предыдущем опыте калорийность была на том же уровне.

Таблица 3

Температурный режим по зонам закалочной печи

Режим Температура по зонам, °С

1 2 3 4 5 6 7

Заданный 740 780 840 850 840 830 830

Фактический (по термопарам) 712-755 768-795 828-849 845-855 834-852 827-832 818-842

Динамика нагрева опытных рельсов представлена на рис. 6. Температура по сечению рельсов на момент предполагаемой выдачи: т1 - 832 °С, т2 - 852 °С, т3 - 859 °С (см. табл. 4). Перепад температуры по длине четвертого рельса (между т1 и т3) при длительности нагрева 57 мин составил 27 °С. Максимальный перепад температуры между средним и последним в пакете рельсом (т1 и т3) составил 20 °С.

4-00

8-30 13-00 17-30 22-00 26-30 31-00 35-30 40-00 44-30 49-00 53-30 58-00 62-30 67-00

время нагрева, мин Печная атмосфера, С Заданная температура, С

"Стационарные термопары

Рис. 5. Температурный режим печи

21 24 27 30 33 36 39 42 45 48 51 54 время нагрева, мин

Рис. 6. Нагрев опытных рельсов в закалочной печи

Температура рельсов по сечению

Таблица 4

Время замера Темпе] ратура по точкам, °С Максимальный перепад температуры, °С

1 2 3

На момент начала выдачи 832 852 859 27

Через 8 мин (конец выдачи) 840 843 857 17

При анализе результатов тестового нагре ва установлено, что температурный режим по показаниям регулирующих термопар в зонах соответствовал заданным. Скорость нагрева

рельсов во втором опыте по показаниям опытных термопар несколько ниже, чем в первом опыте, что связано с инерционностью печи. Максимальный перепад температуры по длине рельса (между т1 и т3) составил 27 °С (на момент начала выдачи), в отличие от первого опыта, где перепад был не более 17 °С.

Сравнивая результаты графиков нагрева опытных рельсов (рис. 3 и 6), видим, что нагрев осуществляется неравномерно, выравнивание температур происходит только в седьмой зоне. Изменения температурного режима недостаточно для увеличения производительности печи. В качестве прогрессивной технологии предлагается, при увеличении температуры в зонах 4 и 5, уменьшить время нахождения в них для более быстрого прохождения рельсов через зоны горения, тем самым сглаживая пульсации и повышая интенсивность нагрева, и увеличить время нахождения рельсов в зоне 7, но при этом производить ускоренный режим покачивания, что конструктивно допустимо. В целом, оперируя скоростными режимами нагрева, можно обеспечить равномерный нагрев заготовки. Для выполнения данных условий ролики каждой зоны печи необходимо оборудовать частотными преобразователями, тогда, начиная с четвертой зоны, где начинается уменьшение интенсивности нагрева, появится возможность производить ускорение пакета рельсов и увеличить частоту покачивания, что при достаточном отставании не будет мешать последующему пакету с рельсами. При появлении разрывов между пакетами в зонах 4-7, лимитирующим параметром для производительности печи останется нахождение заготовок в зонах 1-3. Особенно важно применение раздельного времени нахождения по зонам печи при нагреве профиля меньшего сечения, например Р-50, что также приемлемо для практики закалки рельсов.

Выводы

1. Произведено два опыта по нагреву рельсов в закалочной печи термического отделения РБЦ АО «ЕВРАЗ-НТМК». Результаты опытов показали, что в текущем состоянии, при изменении температурных режимов печи не является возможным повышение производительности печи в силу инерционности нагрева.

2. Нахождение заготовки в каждой зоне печи одинаково в силу конструктивной особенности печи и равномерного скоростного режима, что не позволяет производить ускоренный нагрев и сглаживать пульсации от пламени горения.

3. Предлагается модернизация печи с установкой позонных частотных преобразователей, для обеспечения изменения времени нахождения в последующих зонах печи, создание зоны отставания и увеличение частоты покачивания роликов для обеспечения более равномерного нагрева.

Библиографический список

1. Теория и практика теплогенерации / С.Н.Гущин, М.Д.Казяев, Ю.В.Крюченков и др. Екатеринбург: изд. УГТУ-УПИ, 2005. 379 с.

2. Теплотехнические расчеты металлургических печей / Под ред. А.С.Телегина. М.: Металлургия, 1982. 368 с.

3. Теплотехника металлургического производства. Том II. Конструкция и работа печей: учебное пособие для вузов / В.А.Кривандин, В.В.Белоусов, Г.С.Сборщиков и др. М.: МИСИС, 2001. 736 с.

4. Б.С.Мастрюков. Теория, конструкция и расчеты металлургических печей. М.: Металлургия, 1986. 375 с.

5. Дипломное и курсовое проектирование теплотехнических агрегатов: методические указания к оформлению дипломных и курсовых работ / Н.Б.Лошкарёв, А.Н.Лошкарёв, Л.А.Зайнуллин, Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2007. 50 с.

6. Справочник конструктора печей прокатного производства / Под редакцией В.М.Тымчака. М.: Металлургия, 1970. 576 с.

7. Методические указания по составлению раздела «Инженерная экология в выпускных работах студентов специальности 150103 - Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей / М.Д.Казяев, Ю.Н.Овчинников, В.Л.Советкин, Ю.Г.Ярошенко. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ.

8. ГОСТ 22667-82 Газы горючие природные.

9. ТИ 102-П.С-9-2012 Производство термоупрочненных рельсов.

•- INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH -•

V.Y.Rubtsov, D.V.Gaev, S.V.Borisov

EVRAZ Nizhny Tagil Metallurgical Plant

MODERNIZATION OF THROUGHT FURNACE FOR HEATING RAILS FOR TEMPERING

Abstract. Mode of heating of rails the RP65 for tempering in the rail-shop department of JSC «EVRAZ-NTMK» is considered. Two experiments were performed with a change of heating mode of billet. Temperature was uneven on rails, because speed of heating was increasing. A constructive solution is proposed. Frequency converters installing for each zone of the furnace, will provide different heating rates in the packages with rails, with an increase in the intensity of heating and ensuring the uniformity of the temperatures obtained at different points, thereby increasing productivity of the furnace.

Keywords: through furnace, mode of heating, rail, rollers, zone of heating, frequency converter, thermocouple, mode of speeds.