КОЛПАКОВАЯ ПЕЧЬ

Полезная модель относится к металлургии, в частности, к устройствам для термообработки металлов, конкретно к газовым, одностопным, муфельным колпаковым печам, отапливаемым природным газом с помощью горелок, и может быть использована для нагрева и отжига листовых металлов в рулонах.
Известна колпаковая печь, содержащая стенд с установленными на нем муфелем и футерованным колпаком, на котором в нижней части установлены горелки, подключенные к системе подачи газа и коллектору подогретого воздуха, в верхней части колпака выполнен газоотводящий тракт, соединенный с рекуператором (см. а.с. 1028729 СССР, C 29 D 9/663, опубл. 15. 07.1893).
Известная колпаковая печь включает систему отопления с одноярусными горелками, реализующими локальный и неравномерный по высоте нагрев муфеля с высокими градиентами температур по высоте и сечению стопы рулонов. Вследствие этого имеются ограничения по интенсивности подвода тепла в период нагрева, для исключения перегрева металла, и требуются значительные затраты времени на выдержку для выравнивания температур, что снижает производительность печи.
Регулирование теплового режима в различные периоды отжига осуществляются только изменением расхода топлива и воздуха на горелки, что не обеспечивает эффективного снижения расхода топлива и формирование устойчивых факелок, и не позволяет повысить производительность печи без риска перегрева металла.
Известна колпаковая печь для отжига плотно смотанных рулонов, содержащая муфель, нагревательный колпак, включающий футерованный кожух с дымоотводящим отверстием в центре плоского свода, соединенным дымопроводом со струйным рекуператором, а также горелки, установленные в нижней части колпака на двух ярусах (см. а.с. 1337429 СССР, C 21 D 9663, опубл. 15.09. 1987).
Известная колпаковая печь имеет двухъярусное расположение горелок и центральный сводовый отвод дымовых газов. Несмотря на более распределенный и равномерный подвод тепла к муфелю, а также более совершенную аэродинамику подколпакового пространства, известная печь имеет ограниченные возможности по повышению производительности. Это связано с тем, что в ее системе отопления используются горелки, не позволяющие регулировать параметры факелов (длину, угол раскрытия, скорость и светимость) без изменение расходов топлива и воздуха. При изменении тепловой нагрузки в период выравнивания температур снижается устойчивость работы горелок и полнота сгорания топлива. Нижние рулоны в период нагрева нагреваются медленнее, что увеличивает необходимое время для выравнивания температур по массе садки. Отсутствие регулирования
скорости циркуляции защитного газа под муфелем приводит к несоответствию условий теплообмена в подмуфельном пространстве и от муфеля к садке. Применяемый струйный рекуператор не позволяет эффективно подогревать воздух в различные периоды отжига. Регулирование температурного и теплового режимов печи только изменением расходов топлива и воздуха не позволяет получать равномерное распределение температуры в отжигаемом металле, что, в результате, снижает производительность печи.
Известна колпаковая печь, содержащая установленные на стенде муфель и накрывающий его футерованный нагревательный колпак с тангенциально расположенными в три яруса в нижней части горелками, а также размещенными сверху на определенной высоте нагревательного колпака и соединенными с ним тангенциальные дымоотводы, рекуператоры для нагрева воздуха (см. пат. 252665 ГДР, F 27 B 11/00, опубл. 23.12.1987).
Известная колпаковая печь имеет систему отопления с горелками, расположенными тангенциально в три яруса и с тангенциально ориентированными дымоотводами, что обеспечивает рециркулируемый и более равномерный обогрев муфеля. Однако регулирование тепловой нагрузки только числом горелок по ярусам и изменением на них расходов топлива и воздуха не позволяет обеспечить максимальную равномерность нагрева металла при интенсивном подводе тепла. При этом производительность печи лимитирована условием отвода тепла от муфеля к садке (т.е. скоростью циркуляции защитного газа). Кроме того, в данной печи
увеличивается разница в скоростях нагрева верхнего и нижнего рулонов, что повышает вероятность пережога металла. Таким образом, отсутствие управляющих связей между контрольными температурами в печи и интенсивностью и равномерностью распределения подводимого тепла (расходами топлива и воздуха, количеством включенных по ярусам горелок, скоростями циркуляции защитного газа и температурами уходящих дымовых газов, подогретого воздуха и защитного газа) не позволяет организовать оптимальные тепловые, температурные и аэродинамические режимы, а также повысить производительность печи.
Наиболее близкой к заявляемой полезной модели является колпаковая печь, содержащая стенд с установленными на нем муфелем и нагревательным колпаком с футеровкой, под которыми расположены циркуляционный вентилятор с электродвигателем и направляющим аппаратом, а также систему подвода защитного газа с узлами подвода, отвода и холодильниками для его охлаждения, систему отопления, включающая двухпроводные горелки, установленными в горелочных тоннелях тангенциально в два яруса в нижней части нагревательного колпака, каждая из которых содержит кожух, снабженный патрубком для подвода воздуха и охватывающий корпус, имеющий патрубок для подвода газообразного топлива и центральное суживающееся сопловое отверстие, систему подачи воздуха, включающую дутьевой вентилятор, подключенный через коллектор холодного воздуха, воздушный тракт рекуператора и коллектора подогретого воздуха к патрубкам для подвода воздуха в кожуха горелок, систему
эвакуации дымовых газов, включающую дымоотвод, расположенный в верхней части нагревательного колпака и соединенный через газовый тракт рекуператора с дымоотводом, снабженным воздушным эжектором, подключенным через регулируемый вентиль к коллектору холодного воздуха, систему регулирования, включающую зональный и стендовый датчики температуры и задатчик параметров садки, подключенные к входам блока управления, выходы которого подсоединены к регуляторам расхода на патрубках горелок для подвода газообразного топлива и воздуха (см. в кн. Гусовский В.Л., Ладыгичев М.Т., Усачев А.Б. Современные нагревательные и термические печи (конструкции и технические характеристики): Справочник / Под ред. А.Б.Усачева. - М.: Машиностроение, 2001. - с.185-223).
Недостатком известной колпаковой печи является относительно низкая производительность, связанная с тем, что в ее системе отопления используются горелки, не позволяющие регулировать параметры факелов в различные периоды цикла отжига, без изменения расхода топлива. Для перехода из короткопламенного режима работы к длиннопламенному необходим демонтаж горелок с заменой газовых сопел или профилей закручивающих лопаток. При изменении тепловой нагрузки печи в два раза от номинальной в период выравнивания температур в садке за счет изменения расхода топлива наблюдается не оптимальная длина факела, снижается устойчивость работы горелок и полнота сгорания топлива (см. Арсеев А.В. Сжигание природного газа. - М.: Металлургиздат, 1963. - с.176-181)
и удлиняется цикл отжига со снижением производительности печи. Применяемая в известной печи система отопления на базе стандартных двухпроводных горелок типа ГНП, работающих в период нагрева садки в режиме плавного регулирования расхода газа, а в период выдержки использующих импульсный принцип отопления, не обеспечивает эффективное перемешивание газа с воздухом и полное сгорание топлива. При этом образуются «жесткие» и короткие факелы с неравномерным распределением температур на стенках муфеля, по высоте стопы и сечению рулонов, что приводит к нестабильности свойств отжигаемого металла. Применяемые в системе отопления нагревательного колпака двухпроводные горелки имеют узкие пределы регулирования (1:8). Поэтому, при значительной глубине регулирования горелок с тепловой нагрузкой менее 15% от номинальной, происходит обгорание сопловых каналов из-за затягивания в них факелов горения, что требует ремонта горелок и снижает производительность печи. В известной печи с тангенциальным расположением горелок, ориентированных в горизонтальной плоскости, максимум температур пламени и теплоотдачи от факелов к футеровке колпака и муфелю находится на расстоянии 7-10 калибров сопла горелки от выходных отверстий горелочных тоннелей, причем начальный угол раскрытия факелов составляет 32-44°, поэтому происходит разрушение футеровки и локальный перегрев муфеля в горелочном поясе. Кроме того, в процессе отжига рулонов стенки муфеля на уровне горелочного пояса интенсивно деформируются (см. Хаммер X. Исследование распределения
температур в зоне горелочного пояса нагревательного колпака // Черные металлы, 1980, №16, с.21-25). Причиной этого является более высокая температура кладки нагревательного колпака на уровне горелочного пояса, что приводит к местным перегревам и выпучиванию стенки муфеля, к изменению структуры стали, из которой изготовлен муфель, и снижению его стойкости и срока службы. При переменных режимах работы печи в период выравнивания температур регулирование тепловой нагрузки уменьшением расхода топлива на горелки не позволяет поддерживать близкие к оптимальным условия смешения топлива и воздуха (а, следовательно, и условия сгорании), обеспечивать полное сгорание топлива и равномерный нагрев садки (см. Аптерман В.Н., Двейрин Е.Г., Тымчак В.М. Колпаковые печи. - М.: Металлургия, 1965. - 235 с.), что в сумме удлиняет этот период цикла отжига и уменьшает производительность печи. При отжиге холодноканных сталей (например, марок типа 08Ю и 08кп) в известной колпаковой печи, несмотря на проведении промежуточной выдержки при 550°С, наблюдается (см. Макова Н.И., Мишин М.П. Исследование возможности экономии топлива при отжиге холоднокатаной стали в одностопных колпаковых печах // Совершенствование технологии на ОАО ММК: Сборник трудов ЦЛК ОАО ММК, вып.4. - Магнитогорск: ЦЛК ОАО ММК, 2000. - С.266-269) неравномерность нагрева стопы рулонов как по высоте, так и по сечению. Например, в период нагрева стали 08Ю температурный перепад по высоте стопы и сечению рулонов достигает 120-160°С, к концу выдержки при 550°С составляет 40-75°С, а к концу
2
2
выдержки при 690-710°С уменьшается лишь до 20-40°С. Данные температурные перепады обусловлены несоответствием условий теплообмена между продуктами горения и муфелем, а также между муфелем и защитным газом, который перемещается с помощью циркуляционного вентилятора с фиксированной частотой вращения. При этом одинаковая направленность (снизу вверх) потоков дымовых газов и защитного газа вдоль стенок муфеля снижает во времени перепад температуры между теплоносителями, что уменьшает передачу тепла через стенку муфеля к садке. Например, в известной колпаковой печи максимальный коэффициент теплоотдачи от факелов к муфелю достигает 200-250 Вт/(мК), а от муфеля к защитному газу и от последнему к садке - 50-150 Вт/(мК). В известной печи с одинарным муфелем применяемые двухпроводные горелки и циркуляционный вентилятор, работающий на фиксированной частоте вращения, не обеспечивают синхронности и максимально возможную интенсивность теплообмена в различные периоды отжига. При этом температура защитного газа в точках по высоте стопы не постоянна и он различное время находится в соприкосновении со стенкой муфеля, поэтому нижние рулоны в период нагрева греются медленнее, чем верхние, что увеличивает требуемое время на выравнивание температур и снижает производительность печи. При рекристаллизационном отжиге скорость нагрева рулонов стали лимитирована величиной и формой ферритных зерен и механическими свойствами в интервале температур 450-500°С и, например, для стали 08Ю не должна превышать 180°С/ч. В известной печи
фактическая скорость нагрева на порядок ниже, так для верхнего рулона она равна 15-25°С/ч, а для нижнего рулона - 6-10°С/ч. Более интенсивный нагрев в известной печи ограничен опасностью перегрева наружных слоев в верхних рулонах, что снижает производительность печи. Кроме того, используемые в известной печи рекуператор и эжектор в дымопроводе не позволяют получить оптимальные температуры подогрева воздуха и газодинамический режим под колпаком в различные периоды нагрева и выдержки. Используемая в печи система регулирования температурного и теплового режимов, только при изменении расхода и соотношения топливо-воздух по зональной и стендовой температуре, не позволяет гибко и прецизионно регулировать температуру металла в различные периоды отжига, что снижает производительность печи. При реализации в известной колпаковой печи отжига четырех рулонов по 23 тонны, для стали марки 08кп (по ГОСТ 9045-93), нагрев производится в течение 39 часов с выдержкой при 650°С в течение 11 часов и при 690°С - в течение 16 часов. При этом наблюдается значительный перепад температур по массе стопы рулонов (до 15-30°С), повышенные удельный расход природного газа (до 48-55 кг у.т./кг) и удельный расход тепла (до 1200-1400 кДж/кг), и в итоге достигается низкая удельная производительность (до 0,4-0,9 т/ч).
Задачей, на решение которой направлена заявляемая колпаковая печь, является повышение производительности печи за счет интенсификации теплообмена и сокращения периодов нагрева, выравнивания температур и
охлаждения садки, при соблюдении условия равномерного распределения температур в металле.
Технический эффект от использования предлагаемой колпаковой печи достигается обеспечением интенсификации и повышением равномерности подвода тепла от системы отопления. Также повышается качество отожженного металла и стойкости муфеля и футеровки колпака, сокращается удельный расход топлива. В целом комплексная автоматизация и оптимизация процессов нагрева и охлаждения металла обеспечивают уменьшение необходимого времени на осуществление отдельных стадий цикла отжига и увеличение межремонтной компании муфеля и футеровки нагревательного колпака, что повышает производительность печи.
Поставленная задача решается тем, что в известной колпаковой печи, содержащей стенд с установленными на нем муфелем и нагревательным колпаком с футеровкой, под которыми расположены циркуляционный вентилятор с электродвигателем и направляющим аппаратом, а также систему подачи защитного газа с узлами подвода, отвода и холодильниками для его охлаждения, систему отопления, включающую двухпроводные горелки, установленные в горелочных тоннелях тангенциально в два яруса в нижней части нагревательного колпака, каждая из которых содержит кожух, снабженный патрубком для подвода воздуха и охватывающий корпус, имеющий патрубок для подвода газообразного топлива и центральное суживающееся сопловое отверстие, систему подачи воздуха, включающую дутьевой вентилятор, подключенный через коллектор холодного воздуха,
воздушный тракт рекуператора и коллектор подогретого воздуха, к патрубкам для подвода воздуха в кожухах горелок, систему эвакуации дымовых газов, включающую дымоотвод, расположенный в верхней части нагревательного колпака и соединенный через газовый тракт рекуператора с дымоотводом, снабженным воздушным эжектором, подключенным через регулируемый вентиль к коллектору холодного воздуха, систему регулирования, включающую зональный и стендовый датчики температуры и задатчик параметров садки, подключенные к входам блока управления, выходы которого подсоединены к регуляторам расхода на патрубках горелок для подвода газообразного топлива и воздуха, согласно изменению горелки снабжены коническими дросселями, установленными в центральных суживающихся сопловых отверстиях корпусов на подвижных штоках с приводами, причем горелки верхнего яруса расположены на высоте 0,3-0,4 от высоты колпака и ориентированы вниз под углом 5-10° к горизонтальной плоскости, а горелки нижнего яруса, соответственно, на высоте 0,18-0,22 и под углом 3-8°, газовый тракт рекуператора расположен внутри воздушного тракта, а эжектор совмещен с рекуператором и выполнен в виде теплоизолированного воздушного канала, имеющего патрубок с регулируемым вентилем, подключенным к коллектору холодного воздуха, проходящего по оси газового тракта рекуператора и снабженного осевой подвижной штангой, сверху которой имеется привод с регулятором перемещения, а на ее нижней консоли закреплено центральное тело, выполненное в виде двух обратных конусов, соединенных большими
основаниями, и установленное в сопловом канале, образованном выходным участком воздушного канала эжектора, электродвигатель циркуляционного вентилятора снабжен преобразователем частоты с задатчиком, блок управления выполнен на базе микропроцессора, к входам которого дополнительно подключены датчик температуры уходящих газов на дымоотводе нагревательного колпака и датчики температуры защитного газа на узлах его подвода и отвода, а выходы из микропроцессора дополнительно соединены с приводами подвижных штоков горелок, с задатчиком преобразователя частоты и с регулируемым вентилем и регулятором перемещения подвижной штанги на эжекторе.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображен поперечный разрез колпаковой печи со схемами ее энергогазоснабжения и регулирования, а на фиг.2 - продольный разрез печи по горелкам верхнего яруса в сечении А - А на фиг.1.
Колпаковая печь содержит стенд 1 (фиг.1) с установленным на нем муфелем 2 и нагревательным колпаком 3 с футеровкой 4. Под стендом 1 расположены сообщающийся с подмуфельным пространством циркуляционный вентилятор 5 с электродвигателем 6 и направляющим аппаратом 7, а также система подачи защитного газа с узлами подвода 8, отвода 9 и холодильниками 10 для его охлаждения. Двухъярусная система отопления включает двухпроводные скоростные регулируемые горелки, соответственно, верхнего 11 и нижнего 12 ярусов (по 5-8 штук в каждом ярусе), установленные в горелочных тоннелях 13 (фиг.2) футеровки 4
1
1
2
2
колпака 3 тангенциально к поверхности муфеля 2. Каждая из горелок 11 и 12 содержит кожух 14, снабженный патрубком для подвода воздуха 15 и охватывающий корпус 16, имеющий патрубок для подвода газа 17 и центральное суживающееся сопловое отверстие 18. Горелки 11 и 12 снабжены коническими дросселями 19, установленными в центральных суживающихся сопловых отверстиях 18 корпусов 16 на подвижных штоках 20 с приводами 21 (фиг.1, 2). При этом горелки верхнего яруса 11 расположены на высоте H, равной 0,3-0,4 от высоты Н колпака 3, и ориентированны вниз под углом α к горизонтальной плоскости, равным 5-10°, а горелки нижнего яруса 12, соответственно, на высоте Н, равной 0,18-0,22 от Н, и под углом α, равным 3-8°. Система подачи воздуха включает дутьевой вентилятор 22 (фиг.1), подключенный через коллектор холодного воздуха 23, воздушный тракт 24 рекуператора 25 и коллектор подогретого воздуха 26 к патрубкам для подвода воздуха 15 (фиг.2) в кожухах 14 горелок 11 и 12. Система эвакуации дымовых газов включает дымоотвод 27 (фиг.1), расположенный в верхней части нагревательного колпака 3 и соединенный через газовый тракт 28 рекуператора 25 с дымоотводом 29. При этом газовый тракт 28 рекуператора 25 расположен внутри воздушного тракта 24. Эжектор 30 совмещен с рекуператором 25 и выполнен в виде теплоизолированного воздушного канала 31, имеющего патрубок 32 с регулируемым вентилем 33, подключенным к коллектору холодного воздуха 23, проходящего по оси газового тракта 28 рекуператора 25 и снабженного осевой подвижной штангой 34, сверху которой имеется привод 35 с регулятором перемещения
36, а на ее нижней консоли закреплено центральное тело 37, выполненное в виде двух обратных конусов 38 и 39, соединенных большими основаниями, и установленное в сопловом канале 40, образованном выходным участком воздушного канала 31 эжектора 30. Электродвигатель 6 циркуляционного вентилятора 5 снабжен преобразователем частоты 41 (тиристорным или транзисторным) с задатчиком 42. Система регулирования включает (фиг.1) зональный датчик температуры 43 (термопару), установленный на поверхности футеровки 4 в средней части по высоте колпака 3, стендовый датчик температуры 44, расположенный на стенде 1 под муфелем 2, датчик температуры уходящих газов 45, установленный в дымоотводе 27 нагревательного колпака 3, датчики температуры защитного газа 46 и 47, установленные, соответственно, на узлах подвода 8 и отвода 9 защитного газа, подключенного к блоку управления 48 через входы 49 микропроцессора 50. Выходы 51 микропроцессора 50 соединены с регуляторами расхода 52 и 53 (фиг.1, 2), установленными, соответственно, на патрубках 15 и 17 (фиг.2) для подвода газа и воздуха в горелках 11 и 12, с приводами 21 подвижных штоков 20 горелок 11 и 12, с задатчиком 42 (фиг.1) преобразователя частоты 41, с регулируемым вентилем 33 и регулятором перемещения 36 подвижной штанги 34 на эжекторе 30. Вход 51 микропроцессора 50 также соединен с задатчиком параметров садки 54. На чертежах дополнительно обозначены и условно показаны: 55 - стопа, образующая садку (фиг.1); 56 - рулоны, составляющие стопу 55; 57 - конверторные кольца, укладываемые между рулонами 56; 58 - крышка, укладываемая на верхнем рулоне 56 стопы 55; 59
- факела горелок 11 и 12 (фиг.2); 60 - зона рециркуляции на выходе из горелок 11 и 12; 61 - эжекционная тороидальная зона на выходе эжектора 30 (фиг.1).
Колпаковая печь работает следующим образом: на стенде 1 (фиг.1) формируют стопу 55 из нескольких поставленных друг на друга рулонов 56. Между рулонами 56 закладывают конверторные кольца 57 и сверху стопу 55 закрывают крышкой 58. Затем стопу 55 накрывают муфелем 2, а последний -нагревательным колпаком 3 с футеровкой 4. Циркуляционный вентилятор 5 приводится во вращение электродвигателем 6 и, под направляющий аппарат 7 из системы подачи защитного газа, через узел подвода 8 вводят защитный газ (азот- или водородсодержащий). В период нагрева стопы 55 отвод 9 и холодильник 10 отключены. После вентиляции подмуфельного пространства защитным газом включают горелки верхнего 11 и нижнего 12 ярусов, установленные в горелочных каналах 13 футеровки 4 колпака 3. При этом, в кожуха 14 (фиг.2) каждой горелки 11 и 12 подают воздух через патрубки 15, а в корпуса 16 - газ, через патрубки 17. С помощью электрозапальников (на чертеже не показаны) на выходах центральных суживающихся сопловых отверстий 18 корпусов 16 горелок 11 и 12 зажигают факела 59. Для регулирования параметров факелов 59 осуществляют перемещение конических дросселей 19, установленных в сопловых отверстиях 18 на подвижных штоках 20, с помощью приводов 21. При вдвигании дросселей 19 в сопловые отверстия 18, формируется профиль в виде регулируемого кольцевого сопла Лаваля с косым срезом и реализуется минимальное его
проходное сечение и максимальные скорости истечения газа. Факела 59 при этом укорачиваются и имеют высокую кинетическую энергию при малом угле раскрытия 7-9°, а при обратном ходе дросселя - получаются длинные светящиеся факела 59. Поэтому, изменяя положение дросселей 19 относительно сопловых отверстий 18, можно регулировать длины, форму, светимость и скорости сверхзвуковых факелов 59. В связи с этим, горелки 11 и 12 позволяют без изменения расходов газа и воздуха перемещением дросселей 19 регулировать отопление печи с переходом от «жестких» и коротких факелов 59 - к удлиненным и «мягким» факелам 59. При этом, между конической выходной поверхностью дросселя 19 (фиг.2) и внутренней выходной поверхностью сопловых отверстий 18 корпусов 16 формируются стабильные зоны рециркуляции 60 в корнях факелов 59, обеспечивающих эффективное перемешивание газа и воздуха и высокую устойчивость пламен. Причем, при сжигании газа в горелках 11 и 12 образуются факела 59 с максимальным дожиганием и обеспечением интенсивного и равномерного нагрева садки, исключающего термодеформацию муфеля 2. Сжигание газа в скоростных горелках 11 и 12 с дроссельным регулированием позволяет в широких пределах регулировать светимость факелов 59, путем самокарбюрации и интенсифицировать теплоотдачу от факелов 59 к муфелю 2, за счет лучистого теплообмена. Система отопления на горелках 11 и 12 обеспечивает, практически при любом расходе газа, равномерный «мягкий» нагрев муфеля 2, что позволяет вести процесс термообработки садки не повышая расхода газа и не
1
1
2
2
увеличивая продолжительность нагрева. Применение системы отопления на скоростных регулируемых горелках 11 и 12 с дроссельными регуляторами 19 позволяет: увеличить количество движения газов на 60-80% и теплоотдачу от факелов 59 и футеровки 4 колпака 3 на 10-20%, оптимизировать переменный тепловой и аэродинамический режимы подмуфельного пространства, сократить продолжительность периодов нагрева и выравнивания температур в цикле отжига с уменьшением на 5-9% удельного расхода топлива и с повышением производительности печи. Предлагаемая система отопления на регулируемых горелках 11 и 12 позволяет реализовать оптимальный тепловой режим в различные периоды цикла отжига: в начальный период нагрева - с максимальной тепловой нагрузкой и с «жесткими» факелами 59 (с высокими скоростями продуктов сгорания - до 380-650 м/с), а в период выравнивания температур по объему садки - с постоянно снижающейся тепловой нагрузкой и с «мягкими» факелами (с меньшими скоростями продуктов сгорания - до 60-100 м/с). Расположение горелок верхнего яруса 11 (фиг.1) на высоте H, равной 0,3-0,4 от высоты Н колпака 3, и ориентация их под углом α к горизонтальной плоскости, равным 5-10°, а горелок нижнего яруса 12 - на высоте Н, равной 0,18-0,22 от Н, и под углом α равным 3-8°, учитывает условия зажигания факелов 59, повышает интенсивность и равномерность нагрева муфеля 2 и стопы 55 по высоте, за счет наложения факелов 59 и оптимального распределения температур в районе горелочного пояса. При этом продукты сгорания, отпускаясь от горелок 11 и 12 вниз и
1
2
1
2
тангенциально вдоль стенок муфеля 2 и колпака 3, увеличивают равномерность нагрева садки и препятствуют своим избыточным давлением подсосу воздуха через уплотнения (на чертеже не обозначены), что улучшает качество металла при отжиге и способствует росту производительности печи. Интенсивность теплообмена достигается в результате увеличения температуры и степени черноты факелов 59 у поверхности муфеля 2. Направление факелов 59 горелок 11 и 12, установленных в предложенном диапазоне высот H и Н, с ориентацией тангенциально к поверхности муфеля 2 и вниз под оптимальными углами α и α к горизонтальной плоскости, соответственно, на верхнем и нижнем ярусах, обеспечивает размещение высокотемпературной части факелов 59 в нижней части надмуфельного пространства, создание факелов 59, обладающих эффектом «настильности», и равномерное обтекание наружной поверхности муфеля 2 по высоте. При этом снижается до минимума температурный перепад по ширине и высоте садки и устраняется местный перегрев муфеля 2 и поверхности стопы 55 в области горелочного пояса. Также улучшаются условия зажигания горелок верхнего 11 и нижнего 12 ярусов, за счет наложения их факелов 59 и, одновременно, сокращается расход топлива за счет более интенсивного конвективного теплообмена и сокращения времени нагрева. Расположение горелок 11 верхнего яруса на высоте H1 меньше 0,3 и больше 0,4 от высоты Н колпака 3 и ориентация их вниз под углами α1 к горизонтальной плоскости меньше 5° или больше 10°, а также расположение горелок 12 нижнего яруса на высоте Н2 меньше 0,18 и
больше 0,22 от высоты Н колпака 3 и ориентация их вниз под углами α2 к горизонтальной плоскости меньше 3° и больше 8°, не обеспечивает повышение производительности печи. Изменение высоты и ориентировки горелок 11 и 12 меньше нижнего и больше верхнего заявленных пределов, приводит к снижению теплообмена между факелами 59 горелок 11, 12 и муфелем 2, ухудшению условий зажигания факелов 59, снижению интенсивности и равномерности нагрева муфеля 2. Так как повышение интенсивности теплообмена достигается в результате размещения высокотемпературной части факелов 59 в нижней части муфеля 2, с обеспечением «настильного» равномерного обтекания его наружной поверхности, то отклонение от заявляемых значений H1, H2, α1 и α2 не позволяет реализовать положительные эффекты и повысить производительность печи. Комплексное выполнение горелок 11 и 12 с дроссельным регулированием, обеспечивающим регулируемые высокие скорости факелов 59, и их оптимальные расположение и ориентацию, позволяют получить растянутые «мягкие» зоны горения, реализующие интенсивный комбинированный прямой и косвенный направленный теплообмен от факелов 59 к муфелю 2, что снижает температурный уровень в районе горелочного пояса и удовлетворяет условиям равномерного обогрева стенки муфеля 2 и нагрева стопы 55 рулонов 56. Прямой  направленный лучистый теплообмен от футеровки 4, в сочетании с интенсивной конвекцией от высокоскоростных факелов 59 позволяет повысить средний коэффициент
2
1
2
1
2
теплоотдачи до 350-400 Вт/(мК). При этом тепловая мощность горелок 11 и 12 равномерно выделяется по поверхности муфеля 2 и согласуется со степенью равномерности нагрева садки, причем, чем равномернее нагревается металл, тем больше может быть принята тепловая мощность. Кроме того, высокие кинетические энергии факелов 59 в наибольшей степени расходуются на циркуляцию дымовых газов и интенсификацию конвективного теплообмена в надмуфельном пространстве. Предложенная система отопления печи с горелками 11 и 12 позволяет повысить: стабильность характеристик факелов 59, глубину регулирования по нагрузке и коэффициенту расхода воздуха, равномерность температуры и газового состава факелов 59 по периметру муфеля 2 с возможностью регулирования интенсивности горения, а также стойкость огнеупоров футеровки 4 и горелочных тоннелей 13 колпака 3. Условия сжигания топлива в горелках 11 и 12 обеспечивают интенсивный подвод теплоты и равномерное распределение температуры по высоте колпака 3 при высокой полноте сгорания топлива, что повышает производительность печи. Отклонение от заявляемых диапазонов значений Н, H и α, α не позволяет достичь положительных эффектов и повысить производительность колпаковой печи. В процессе сжигания топлива происходит подвод воздуха, который подается дутьевым вентилятором 22 через коллектор холодного воздуха 23 в воздушный тракт 24 рекуператора 25. Воздух, нагретый дымовыми газами в рекуператоре 25, поступает в коллектор подогретого воздуха 26 и распределяется через патрубки для подвода воздуха 15 в кожухах 14 по
1
2
горелкам 11 и 12, что интенсифицирует процесс горения топлива и снижает его недожог. Дымовые газы эвакуируются через дымоотвод 27, расположенный в верхней  части колпака 3, в газовый тракт 28 рекуператора 25 и удаляются в дымоотвод 29, с помощью эжектора 30. Расположение газового тракта 28 рекуператора 25 внутри его воздушного тракта 24 и совмещение эжектора 30 с рекуператором 25 позволяет повысить интенсивность теплообмена между дымовыми газами и воздухом, увеличить температуру подогрева воздуха и повысить производительность печи. При этом воздух подается в теплоизолированный воздушный канал 31, проходящий по оси газового тракта 28 рекуператора 25, через патрубок 32 с регулирующим вентилем 33. Регулирование кратности эжекции дымовых газов в воздух осуществляется при изменении расхода воздуха через вентиль 33 и передвижении, с помощью штанги 34 с приводом 35 и регулятором перемещения 36, центрального тела 37, закрепленного на нижней консоли штанги 34. Так как центральное тело выполнено в виде двух обратных конусов 38 и 39, соединенных большими основаниями, то на выходе из соплового канала 40, образованного выходным участком воздушного канала 31 эжектора 30, формируется эффективная эжекционная тороидальная зона 61, способствующая реализуемой эвакуации дымовых газов из под колпака 3 и повышению теплообмена в рекуператоре 25. Циркуляционный вентилятор 5 засасывает защитный газ контролируемого состава из центральной полости стопы 55 и подает его вверх вдоль стенки муфеля 2. За счет установки горелок на определенной высоте (H и Н) и их ориентации вниз под
1
2
определенными углами (α и α), между дымовыми газами и защитным газом реализуется интенсивный и равномерный теплообмен через муфель 2. В периоды нагрева стопы 55 и выравнивании температуры по высоте и ширине рулонов 56, обеспечивается соответствие интенсивности подвода теплоты к муфелю 2 от горелок 11 и 12 и интенсивности отвода теплоты от муфеля 2 к защитному газу. При этом реализуют частоту вращения электродвигателя 6 циркуляционного вентилятора 5, с помощью преобразователя частоты 41, с установкой частоты от задатчика 42. При достижении заданной температуры отжига стопы 55 производят отключение горелок 11 и 12, снимают колпак 3, подключают через отвод 9 холодильники 10 и производят контролируемое охлаждение рулонов 56 охлажденным защитным газом. Уменьшение частоты вращения электродвигателя 6 циркуляционного вентилятора 5 с помощью преобразователя частоты 41, в соответствии с темпом охлаждения стопы 55, позволяет снизить расход электроэнергии на привод и повысить производительность печи. Регулирование теплового, температурного и аэродинамического режимов печи в цикле отжига осуществляется (фиг.1) при подаче управляющих сигналов с зонального датчика температуры 43, определяющего среднюю по высоте температуру футеровки 4 колпака 3, со стендового датчика температуры 44, фиксирующего температурный режим на стенде 1 под муфелем 2 рядом с нижним рулоном 56, с датчика температуры уходящих газов 45 на дымоотводе 27 и с датчиков температуры защитного газа 46 и 47, регистрирующих начальную его температуру на узле подвода 8 и выходную температуру - на узле отвода 9 (в период охлаждения
садки), на блок управления 48 через входы 49 микропроцессора 50. Блок управления 48, выполненный на базе микропроцессора 50 (16 - разрядного) и содержащий контроллеры, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи (на чертежах не показаны), позволяют формировать исполнительные сигналы по заданному алгоритму с дискретным или линейным изменений заданий через градиенты температур, задаваемые датчиком температуры 43-47. С выходов 51 микропроцессора 50 исполнительные сигналы поступают на регуляторы расходов воздуха и газа 52 и 53 и на приводы 21 подвижных штоков 20, осуществляя, соответственно, регулирование производительности горелок 11 и 12 и параметров их факелов 59, на задатчик 42 преобразователя частоты 41, приводя в соответствии интенсивности подвода и отвода теплоты от муфеля 2 в периоды нагрева и выравнивания температуры садки и регулируя скорость циркуляции защитного газа под муфелем 2 в периоды охлаждения, а также на регулируемый вентиль 33 и регулятор перемещения 36 подвижной штанги 34 на эжекторе 30, осуществляя регулируемую эвакуацию дымовых газов в соответствии с изменением тепловой нагрузки печи. В качестве регуляторов расхода 53 горячего воздуха нагретого до температуры 350-390°С, установленных на футерованных воздухопроводах (на чертежах не обозначены), которые соединяют коллектор подогретого воздуха 26 с патрубками для подвода воздуха 15 горелок 11 и 12, могут использоваться регулирующие дроссели из жаропрочной стали (см. Каплан В.Г. Наладка и эксплуатация печей для нагрева металла. - М.: Металлургия, 1965. - С.366). С
целью обеспечения взрывобезопасности рекуператора 25 с разогретым теплоизолированным воздушным каналом 31 при погасании горелок 11 и 12, производится быстрое закрытие регуляторов расхода газа 52 и осуществляется вентиляция надмуфельного пространства и газового тракта 28 рекуператора 25 при открытых регуляторах расхода воздуха 53 и регулируемом вентиле 33, так, чтобы концентрационные границы зажигания смеси топливо-воздух не превышали пределы ее взрываемости. Например, при использовании в качестве топлива природного газа и разогреве канала 31 до температуры 400-500°С, содержание газа в газовом тракте 28 рекуператора 25 не должно превышать 2-3% (см. Арсеев А.В. Сжигание природного газа. - М.: Металлургиздат, 1963. - С.58). Для учета исходных характеристик садки (марки стали, геометрических размеров рулонов 56 и стопы 55, степени смотки рулонов 56 и других) и режимов отжига, на вход 51 микропроцессора 50 подают сигналы с задатчика параметров садки 54. Использование преобразователя частоты 41, управляемого с микропроцессора 50 от сигналов датчиков температуры 43-47, позволяет плавно регулировать число оборотов на валу электродвигателя 6 с циркуляционным вентилятором 5 и производить непрерывную подстройку теплового и аэродинамического режимов печи к плотности защитного газа и адаптировать скорость и кратность его циркуляции с условиями подвода теплоты от горелок 11 и 12 в период нагрева и выравнивания температур по стопе 55 рулонов 56, а в период охлаждения садки - с темпом ее охлаждения.
Регулируемая циркуляция защитного газа (с переключением
циркуляционного вентилятора 5 на большее число оборотов), позволяет усилить теплоотдачу к садке и, благодаря этому, увеличить установленную мощность горелок 11 и 12 или, с помощью скоростных факелов 59, интенсифицировать конвективный теплообмен. Причем, с учетом меньшего времени нагрева, потребление энергии на отжиг сокращается до минимума. Предлагаемая многофункциональная система регулирования позволяет осуществлять непрерывный или позиционный контроль температуры в печи путем следующих режимов регулирования: тактовым управлением мощности горелок 11 и 12 (количеством включения горелок по принципу «включение/выключение» или с тактовым включением по кругу или по ярусам); плавным изменением производительности горелок 11 и 12, путем изменения расходов топлива и воздуха с помощью регуляторов 52 и 53; изменением характеристик факелов 59 горелок 11 и 12, с помощью перемещения конических дросселей 19; регулирования расходов и скоростей защитного газа под муфелем 2, с помощью циркуляционного вентилятора 5, управляемого от преобразователя частоты 41, с изменением числа оборотов на валу электродвигателя 6; регулированием разряжения и аэродинамики под колпаком 3, в соответствии с производительностью горелок 11 и 12, с помощью эжектора 30 при изменении на него расхода холодного воздуха и при перемещении центрального тела 37. Таким образом, заявляемая колпаковая печь, включающая предложенную систему регулирования, позволяет осуществить прецизионное регулирование теплового, температурного и аэродинамического режима отжига, с повышением
производительности и с надежной защитой от нежелательных перегревов металла.
При реализации в заявленной печи режима отжига для стали марки 08кп (по ГОСТ 9045-93) садки из четырех рулонов по 23 тонны каждый, включающим нагрев до температуры 720°С, с последующим охлаждением до 150 С, общая продолжительность цикла отжига, по сравнению с отжигом в печи конструкции ОАО «Институт Стальпроект» (см. Артемьев В.В., Воловик И.С., Попутынков А.Ф. Особенности конструирования колпаковых муфельных и безмуфельных печей для светлого отжига стали в контролируемых атмосферах // Труды 4 конгресса прокатчиков, Магнитогорск, 16-19 октября 2001, т.1. - М.: Черметинформация, 2002. С.155-157) аналогичной прототипу, снизилась с 39 до 36 часов, включая снижение с 11 до 9 часов при выдержке при 600°С и снижение с 16 до 15 часов при выдержке при 690°С. В том числе на 5 часов сократилась продолжительность периода охлаждения, за счет интенсификации циркуляции защитного газа при частотном регулировании электродвигателя 6 циркуляционного вентилятора 5. При этом перепад температур по массе садки 5-10°С, что обеспечивает высокую равномерность нагрева. Снижение температурного перепада по высоте стопы 55 в первый период отжига реализуется за счет повышения скорости нагрева нижнего рулона 56 стопы 55 и за счет снижения скорости нагрева верхнего рулона 56, а в период выравнивания температур по стопе 55 обеспечивается равенство скоростей нагрева верхнего и нижнего рулонов 56. Предложенные технические
2
2
2
решения способствуют снижению неравномерности нагрева рулонов 56 при значительном сокращении (на 7-10%) общей продолжительности отжига. В результате температурный перепад по высоте стопы 55 в процессе нагрева не превышает 50-80°С, а к концу выдержки - не более 10-30°С, причем производительность печи повышается на 5-10%, экономия топлива составляет 5-12%, расход электроэнергии на привод электродвигателя 6 снижается на 4-6% и на 3-5% увеличивается выход листа категории весьма глубокой вытяжки (по ГОСТ 9045-80). Дополнительным эффектом более точного ведения теплового и температурного режимов и снижении локального перегрева металла в заявляемой колпаковой печи, является повышение чистоты поверхности отжигаемой полосы, за счет снижения отложения углерода до 1 мг/м, окисления легированных и обезуглероживания углеродистых сталей. Кроме того, благодаря более высокой точности проведения рекристаллизационного отжига, достигается более однородная микроструктура металла с высокой воспроизводимостью механических свойств и повышение относительного удлинения при разрыве. Предложенная колпаковая печь может использоваться для модернизации технологического оборудования при отжиге рулонного проката, путем замены горелок 11 и 12 и элементов футеровки 4 горелочного пояса нагревательного колпака 3 действующих колпаковых печей, либо с сохранением защитной атмосферы (4-5% Н и 95-96% N), либо - с переходом на водородную.
Таким образом, заявляемая колпаковая печь обеспечивает повышение удельной производительности отжига рулонов 56 листовой стали до 0,2-0,4 т/ч за счет:
- снижения времени периодов нагрева и выравнивания температур, при более эффективной работе нагревательного колпака 3, достигаемой применением скоростных горелок 11 и 12 с их оптимальными расположением и ориентацией и обеспечением высокой нагревательной способности;
- высоконвективного теплообмена, совместно реализуемого с помощью скоростных горелок 11 и 12 и с пропорциональным регулированием кратности циркуляции защитного газа под муфелем 2, осуществляемым частотным приводом электродвигателя 6 циркуляционного вентилятора 5;
- экономии топлива в период нагрева (удельный расход природного газа снижается до 39-40 кг у.т./т, а удельный расход тепла до 1360-1410 КДж/ кг) и электроэнергии на привод циркуляционного вентилятора 5, в периоды выравнивания температур и охлаждения;
- повышения теплотехнического к.п.д., путем более эффективного подогрева воздуха в рекуператоре 25;
- прецезионнго регулирования теплового, температурного и аэродинамического режимов, путем поддержания оптимальных условий подвода теплоты и скоростей циркуляции защитного газа в различные периоды отжига;
- повышения равномерности распределения температур по массе садки, путем достижения максимальных перепадов температур между «горячей» и «холодной» точками менее чем 10 К и снижения перегрева внешних витков и кромок полосы, несмотря на высокую подводимую тепловую мощность;
- увеличения стойкости муфеля 2 и футеровки 4 колпака 3, с ростом их межремонтной компании.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявляемая колпаковая печь, работоспособна и устраняет недостатки, имеющие место в прототипе. Соответственно, заявляемая колпаковая печь может быть применена в металлургии, с целью повышения производительности, а, следовательно, соответствует условию «промышленной применимости».