СИСТЕМА РЕЦИРКУЛЯЦИИ ВОССТАНОВИТЕЛЬНОГО ГАЗА ДЛЯ ПЕЧИ НЕПРЕРЫВНОГО ОТЖИГА БЕЗ ТРАВЛЕНИЯ И СПОСОБ ЕЁ ПРИМЕНЕНИЯ
REDUCING GAS CIRCULATION RECYCLING SYSTEM FOR PICKLING-FREE CONTINUOUS ANNEALING FURNACE AND UTILIZATION METHOD THEREFOR

Область техники
Настоящее изобретение относится к технологии рециркуляции восстановительного газа, в частности, к системе рециркуляции восстановительного газа для печи непрерывного отжига без травления и способу ее применения.
Предшествующий уровень техники
Когда горячекатаный лист подвергается последующей обработке или воздействию сред, как правило, для удаления слоя окислов железа используется процесс травления; в последние годы уделяется большое внимание процессу, когда горячекатаный лист подвергают непосредственно низкому отжигу без травления, а железо восстанавливают из слоя окислов железа с помощью восстановительного газа, при этом использование непосредственно восстановленного железа не только улучшает восстановление металла и изделия, но и упрощает производственный процесс.
Патенты №№ US 6402852 B2, US 6588491 B2, WO 00/12233, WO 0003815 A1 и WO 0191929 A1 раскрывают способы и устройства для удаления окисной пленки на горячекатаной полосовой стали путем восстановления с помощью водорода. В рамках технологического процесса восстановительная водородная среда отнюдь не является чрезмерной, при этом большая часть водорода расходуется на слой окислов железа, а остальное небольшое количество водорода непосредственно сжигается и затем выводится.
В патенте США № US 6258186 B1 раскрыт способ удаления слоя окислов железа на горячекатаной стальной полосе с помощью водорода с последующей горячей гальванизацией; однако этот процесс не связан с использованием восстановительного газа.
В патентах КНР №№ CN 101956061 и CN 102653815 раскрыты способы регенерации и рециркуляции защитного газа для колпаковой печи светлого отжига, в которых для удаления после конденсации воды в конденсаторе, поглощения масла в маслоотделителе и глубокой сушки для удаления воды, защитный газ вновь подают в колпаковую печь светлого отжига; однако эти способы не решают задачу систематической утилизации энергии защитного газа от высокой температуры к низкой, а затем от низкой температуры к высокой.
Патент КНР №200710039842,8 раскрывает способ рециркуляции защитной атмосферы в печи для отжига и направлен на восстановление атмосферы в непрерывной печи для отжига с азотированием для ориентированной кремнистой стали; в ней основным процессом является то, что восстановительный газ для удаления примесей после конденсационной дегидратации и фильтрации поступает в трубопроводную систему сгорания для нагрева полосовой стали; этот способ представляет собой одноцикловый способ, который не обладает высокой эффективностью утилизации, в результате чего возникают потери энергии.
Раскрытие изобретения
Перед настоящим изобретением ставится задача создания системы рециркуляции восстановительного газа для печи непрерывного отжига без травления и способа ее применения, которые обеспечивают экономию энергии и снижение себестоимости.
Поставленная задача решается за счет того, что в системе рециркуляции восстановительного газа для печи непрерывного отжига без травления, содержащей печь непрерывного отжига с секцией предварительного нагрева, секцией нагрева, реакционной секцией, секцией медленного охлаждения и секцией быстрого охлаждения, расположенными последовательно в направлении транспортировки узкой полосовой стали, согласно изобретению, дополнительно содержатся: вытяжной вентилятор, расположенный на входе полосовой стали в секцию предварительного нагрева и выполненный с возможностью извлечения восстановительного газа из секции предварительного нагрева; теплообменник, вход которого через трубу соединен с вытяжным вентилятором, и выполненный с возможностью охлаждения извлеченного восстановительного газа за счет теплообмена; газовое устройство очистки с осушающим агентом, вход которого через трубу соединен с теплообменником, и выполненное с возможностью очистки и высушивания восстановительного газа посредством удаления из него небольшого количества водяного пара, вырабатываемого при восстановлении полосовой стали; а также газосмесительное устройство, первый вход которого через трубу соединен с газовым устройством очистки с осушающим агентом, второй вход которого снабжен трубой подпитки подпиточным газом, а выход через трубу соединен с секцией быстрого охлаждения, и выполненное с возможностью смешивания высушенного восстановительного газа с подпиточным газом с образованием смешанного восстановительного газа, вводимого в секцию быстрого охлаждения для его протекания в направлении, противоположном направлению движения полосовой стали.
Система рециркуляции может дополнительно содержать два регулирующих клапана расхода, первый из которых установлен на трубе между секцией предварительного нагрева и теплообменником, а второй установлен на трубе подпитки подпиточным газом газосмесительного устройства, при этом система может дополнительно содержать бустерные насосы, расположенные на трубе между первым регулирующим клапаном расхода и теплообменником, на трубе между секцией быстрого охлаждения и секцией медленного охлаждения и на трубе между секцией медленного охлаждения и секцией нагрева и реакционной секцией, соответственно.
Система может дополнительно содержать устройство возмущающего воздействия, установленное в реакционной секции.
Система может дополнительно содержать два датчика давления, первый из которых соединен с секцией предварительного нагрева и выполнен с возможностью определения давления в печи, а второй посредством трубы соединен с газосмесительным устройством и выполнен с возможностью определения давления смешанного восстановительного газа в газосмесительном устройстве.
Система может дополнительно содержать датчик концентрации восстановительного газа, размещенный на трубе подпитки подпиточным газом и выполненный с возможностью определения концентрации восстановительного газа.
Система может дополнительно содержать датчик точки росы, подключенный посредством труб между газовым устройством очистки с осушающим агентом и газосмесительным устройством, при этом система может дополнительно содержать дополнительный датчик точки росы, установленный на трубе между газовым устройством очистки с осушающим агентом и датчиком точки росы.
Система может дополнительно содержать уплотнительные ролики между секцией нагрева и реакционной секцией, а также между секциями быстрого и медленного охлаждения.
Система может дополнительно содержать выпускной клапан, расположенный на втором выходе газосмесительного устройства и выполненный с возможностью выпуска избыточного восстановительного газа.
Система может в секции нагрева и реакционной секции дополнительно содержать устройства нагрева типа резистивного нагрева, или радиационного нагрева, или инфракрасного нагрева или индукционного нагрева.
Осушающий агент может быть выбран из ряда, содержащего молекулярные сита, силикагель, активированный оксид алюминия, безводный хлорид кальция, оксид кальция, концентрированную серную кислоту или фосфорный ангидрид.
В соответствии с другим аспектом настоящего изобретения, способ применения системы рециркуляции восстановительного газа для печи непрерывного отжига без травления включает следующие шаги:
- извлечение предварительно нагретого полосовой сталью восстановительного газа из секции предварительного нагрева и регулирование скорости его извлечения посредством управления скоростью вращения вытяжного вентилятора сигналом давления в печи, обнаруженным с помощью датчика давления;
- охлаждение извлеченного восстановительного газа в теплообменнике за счет теплообмена до температуры, приемлемой для следующего далее по ходу движения восстановительного газа газового устройства очистки с осушающим агентом;
- высушивание и очистка охлажденного восстановительного газа посредством удаления из него небольшого количества водяного пара и удаления следов примесей и сушки в газовом устройстве очистки с осушающим агентом и подача восстановительного газа в газосмесительное устройство;
- образование нового смешанного восстановительного газа путем смешивания высушенного восстановительного газа после выявления его состава датчиком концентрации с подпиточным газом;
- введение нового смешанного восстановительного газа в секцию быстрого охлаждения в направлении, противоположном направлению движения полосовой стали, осуществление теплообмена на полосовой стали посредством быстрого охлаждения полосовой стали в секции быстрого охлаждения, медленного охлаждения в секции медленного охлаждения, где газ нагревается и затем поступает в реакционную секцию, в которой восстанавливает полосовую сталь, нагрев полосовой стали в секции нагрева и ее предварительного нагрева в секции предварительного нагрева, и затем извлечение восстановительного газа вытяжным вентилятором и подача его к теплообменнику для формирования нового цикла.
После обработки в газовом устройстве очистки с осушающим агентом восстановительный газ может иметь значение точки росы не более -20°C, преимущественно не более -40°C.
Реализация признаков изобретения обеспечивает технический результат, состоящий в обеспечении экономии энергии и снижении себестоимости рециркуляции восстановительного газа для печи непрерывного отжига без травления. Заявленный технический результат обеспечивается следующими обстоятельствами:
1. избыточный восстановительный газ (водород), не участвующий в реакции восстановления полосовой стали, может быть полностью переработан, что экономит ресурсы и снижает производственную себестоимость;
2. энергия может быть использована эффективно, а именно - охлажденный и высушенный смешанный восстановительный газ на выходе газосмесительного устройства используется для охлаждения горячей восстановленной полосовой стали, а высокотемпературный газ после реакционной секции используется для нагрева и предварительного нагрева полосовой стали, так что тепловая энергия и восстановительного газа, и полосовой стали используется эффективно;
3. при рециркуляции газа загрязняющие вещества выделяются в малом объеме, и, в принципе, может быть реализован процесс с нулевым выбросом.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 схематично представлена система рециркуляции восстановительного газа для печи непрерывного отжига без травления.
Конкретный вариант осуществления изобретения
Сущность настоящего изобретения, его особенности и преимущества, частные варианты осуществления поясняются подробным описанием примеров ее осуществления со ссылками на чертеж. Следует отметить, что настоящее изобретение не ограничено следующими частными вариантами осуществления.
Система рециркуляции восстановительного газа для печи непрерывного отжига без травления содержит печь непрерывного отжига с секцией 2 предварительного нагрева, секцией 3 нагрева, реакционной секцией 4, секцией 5 медленного охлаждения и секцией 6 быстрого охлаждения. Секции 2, 3, 4, 5 и 6 расположены последовательно в направлении транспортировки узкой полосовой стали 1. Система также содержит теплообменник 8, газовое устройство 9 очистки с осушающим агентом и газосмесительное устройство 10. В качестве газового устройства 9 очистки с осушающим агентом может быть использована колонна глубокой осушки.
2
На входе полосовой стали 1 в секцию 2 предварительного нагрева установлен вытяжной вентилятор (на рисунке не показан), который предназначен для извлечения восстановительного газа из секции 2 предварительного нагрева. Сигнал давления в печи, определяемый с помощью первого датчика 17 давления, соединенного с секцией 2 предварительного нагрева, поступает на вытяжной вентилятор, управляет скоростью его вращения и, соответственно, регулирует скорость потока извлечения восстановительного газа. Вход теплообменника 8 через трубу соединен с вытяжным вентилятором; теплообменник 8 предназначен для охлаждения извлеченного восстановительного газа за счет теплообмена. Выход теплообменника 8 через трубу соединен с входом газового устройства 9 очистки с осушающим агентом, которое предназначено для удаления из восстановительного газа небольшого количества паров воды, образующихся в ходе восстановления полосовой стали, глубокой сушки и удаления других примесей путем фильтрации. Выход газового устройства 9 очистки соединен с первым входом газосмесительного устройства 10, второй вход которого снабжен трубой 16 подпитки подпиточным газом. Высушенный, очищенный и охлажденный восстановительный газ в газосмесительном устройстве 10 смешивается с подпиточным восстановительным газом (таким как H или CO), в результате образуется новый смешанный восстановительный газ. Выход газосмесительного устройства 10 соединен посредством трубы с секцией 6 быстрого охлаждения, в которую вводится новый смешанный восстановительный газ, протекающий по печи непрерывного отжига в направлении, противоположном направлению движения полосовой стали. Новый смешанный восстановительный газ осуществляет теплообмен на полосовой стали 1 посредством быстрого охлаждения полосовой стали 1 в секции 6 быстрого охлаждения, медленного охлаждения в секции 5 медленного охлаждения, где газ нагревается и затем поступает в реакционную секцию 4, в которой восстанавливает полосовую сталь 1, последующего нагрева полосовой стали 1 в секции 3 нагрева и ее предварительного нагрева в секции 2 предварительного нагрева. После этого восстановительный газ извлекается вытяжным вентилятором и подается к теплообменнику для формирования нового цикла.
За этот цикл восстановительный газ в обратном направлении осуществляет теплообмен полосовой стали 1, при котором восстановительный газ поглощает тепло из полосовой стали последовательно в секции 6 быстрого охлаждения и секции 5 медленного охлаждения, так что сам восстановительный газ нагревается до высокой температуры, восстанавливает полосовую сталь 1 в реакционной секции 4, а затем передает тепло полосовой стали 1 в секции 3 нагрева и секции 2 предварительного нагрева, сам восстановительный газ охлаждается постепенно.
В преимущественном варианте исполнения система рециркуляции восстановительного газа включает в себя следующие элементы:
- два регулирующих клапана 7, 18 расхода, первый 7 из которых установлен на трубе между секцией 2 предварительного нагрева и теплообменником 8, а второй 18 установлен на трубе 16 подпитки подпиточным газом газосмесительного устройства 10; клапаны 7, 18 предназначены для регулирования скоростей потока газа;
- бустерные насосы 19, 20, 21, 22, соответственно расположенные первый 19 - на трубе между первым регулирующим клапаном 7 расхода и теплообменником 8, второй 20 - на трубе между секцией 6 быстрого охлаждения и секцией 5 медленного охлаждения, третий 21 - на трубе между секцией 5 медленного охлаждения и секцией 3 нагрева и реакционной секцией 4 и четвертый 22 - на трубе между газосмесительным устройством 10 и секцией 6 быстрого охлаждения; бустерные насосы предназначены для повышения давления, соответственно, в трубе между регулирующим клапаном 7 расхода и теплообменником 8, в трубе между секцией 6 быстрого охлаждения и секцией 5 медленного охлаждения, в трубе между секцией 5 медленного охлаждения и секцией 3 нагрева и реакционной секцией 4 и для распыления смешанного восстановительного газа на поверхности полосовой стали 1 в секции 6 быстрого охлаждения;
- устройство 11 возмущающего действия, установленное в реакционной секции 4 печи для отжига и предназначенное для приведения восстановительного газа в состояние турбулентности;
- два датчика 17, 23 давления, первый 17 из которых соединен с секцией 2 предварительного нагрева и предназначен для определения давления в печи, а второй датчик 23 посредством трубы соединен с газосмесительным устройством 10 и предназначен для определения давления смешанного восстановительного газа в газосмесительном устройстве;
- датчик 13 концентрации восстановительного газа, размещенный на трубе подпитки подпиточным газом и предназначенный для определения концентрации подпиточного восстановительного газа;
- датчик точки росы 24, подключенный посредством труб между газовым устройством 9 очистки с осушающим агентом и газосмесительным устройством 10 и предназначенный для определения точки росы газа после обработки устройством очистки средства для осушки газа; при этом преимущественно на трубе между газовым устройством 9 очистки с осушающим агентом и датчиком 24 точки росы может быть установлен дополнительный датчик 15 точки росы, предназначенный для оценки того, достигла ли точка росы осушенного восстановительного газа требуемого значения или нет; при недостижении требуемого значения газ возвращается в газовое устройством 9 очистки с осушающим агентом, где подлежит повторному высушиванию до достижения заданного значения температуры точки росы;
- уплотнительные ролики: ролики 12 между секцией 3 нагрева и реакционной секцией 4, а также ролики 25 между секциями быстрого 6 и медленного 5 охлаждения; уплотнительные ролики 12, 25 предназначены для изоляции холодных и горячих газов в различных секциях, чтобы предотвратить пересечение потоков газа;
- выпускной клапан 14, расположенный на втором выходе газосмесительного устройства 10 и соединенный с вторым датчиком 23 давления, определяющего давление восстановительного газа в газосмесительном устройстве 10 и подающего сигнал на выпускной клапан 14 для выпуска избыточного восстановительного газа для обеспечения безопасности.
Кроме того, для нагрева полосовой стали 1, в дополнение к использованию восстановительного газа высокой температуры, в секции 3 нагрева и реакционной секции 4, могут содержаться устройства нагрева типа резистивного нагрева, или радиационного нагрева, или инфракрасного нагрева или индукционного нагрева.
Осушающий агент может быть выбран из ряда, содержащего молекулярные сита, силикагель, активированный оксид алюминия, безводный хлорид кальция, оксид кальция, концентрированную серную кислоту, фосфорный ангидрид или их комбинации.
Способ применения системы рециркуляции восстановительного газа для печи непрерывного отжига без травления осуществляют следующим образом.
Восстановительный газ протекает в направлении, противоположном направлению движения полосовой стали 1 через всю печь непрерывного отжига. Восстановительный газ после предварительного нагрева полосовой стали 1 извлекают на входе полосовой стали 1 в секцию 2 предварительного нагрева, а сигнал внутрипечного давления, определенный первым датчиком 17 давления подают на вытяжной вентилятор для управления скоростью вращения вытяжного вентилятора и регулирования скорости потока извлечения восстановительного газа. До извлечения горячий восстановительный газ нагревает полосовую сталь 1 в секции 2 предварительного нагрева, в результате чего температура восстановительного газа снижается. Извлеченный охлажденный восстановительный газ подвергают теплообмену в теплообменнике 8 для дальнейшего понижения температуры до температуры, приемлемой для следующего далее газового устройства 9 очистки с осушающим агентом. Охлажденный восстановительный газ поступает в устройство 9 очистки с осушающим агентом для глубокого обезвоживания, удаления следов примесей и сушки и улавливается датчиком 24 точки росы для определения значения точки росы. При помощи дополнительного датчика 15 точки росы, установленного на трубе между газовым устройством 9 очистки и датчиком 24 точки росы, осуществляют оценку того, достигла ли точка росы осушенного восстановительного газа требуемого значения не более -20°C, предпочтительно не выше -40°C. При недостижении требуемого значения газ возвращается в газовое устройством 9 очистки с осушающим агентом, где подлежит повторному высушиванию до достижения заданного значения температуры точки росы. Затем обезвоженный восстановительный газ низкой температуры поступает в газосмесительное устройство 10. После определения его состава датчиком 13 концентрации восстановительный газ подпитывают подпиточным газом и перемешивают, образуя новый смешанный восстановительный газ, который затем вводят в секцию 6 быстрого охлаждения 6. Смешанный восстановительный газ протекает по печи непрерывного отжига в направлении, противоположном направлению движения полосовой стали 1, осуществляя теплообмен на полосовой стали 1 посредством быстрого охлаждения в секции 6 быстрого охлаждения. Газ, нагретый полосовой сталью 1, после быстрого охлаждения поступает в секцию 5 медленного охлаждения для осуществления медленного охлаждения полосовой стали 1, в результате газ нагревается полосовой сталью 1. Нагретый восстановительный газ поступает в реакционную секцию 4 и восстанавливает полосовую сталь 1, затем горячий восстановительный газ постепенно передает тепло полосовой стали 1 в секции 3 нагрева и секции 2 предварительного нагрева. Охлажденный восстановительный газ извлекают на входе полосовой стали 1 вытяжным вентилятором для формирования нового цикла.
Объем восстановительного газа с целью повышения коэффициента восстановления оксидного слоя и эффективности, согласно настоящему изобретению, значительно выше, чем теоретическое значение, необходимое для слоя окислов железа, тем не менее, восстановительный газ используется в режиме рециркуляции, и чрезмерный объем восстановительного газа не приводит к существенному увеличению себестоимости производства.
Чтобы сделать более очевидными и понятными особенности и преимущества системы и способа, описанных в настоящем изобретении, конкретные шаги по реализации способа рециркуляции восстановительного газа иллюстрируются дополнительно следующим примером.
Узкая полосовая сталь 1 движется по печи непрерывного отжига справа (вход) налево (выход), восстановительный газ извлекают на входе полосовой стали 1, и датчик 17 давления в печи подает сигнал на вытяжной вентилятор для управления скоростью его вращения и регулировки первого регулирующего клапана 7 расхода, чтобы обеспечить стабильное давление в печи (микро-положительное давление). В этот момент извлеченный восстановительный газ имеет небольшое количество паров воды, образующихся в результате реакции со слоем оксида железа на поверхности стальной полосы, с восстановительным газом, имеющим определенную температуру. Восстановительный газ после охлаждения в теплообменнике 8 поступает в газовое устройство 9 очистки с осушающим агентом для удаления компонентов водяного пара и примесей до достижения значения точки росы, не превышающего -20°C за счет регулировки точки росы обратной связью дополнительного датчика 15 точки росы. Высушенный и очищенный восстановительный газ поступает в газосмесительное устройство 10, и, в соответствии с результатами определенного состава, полученными датчиком 13 концентрации, подпитывается свежим водородом, так как небольшое количество восстановительного газа может потребляться, когда восстановительный газ проходит через оксидный слой, а концентрацию водорода непрерывно измеряют и подают обратно на второй регулирующий клапан 18 расхода для контроля, пока концентрация не достигнет заданного значения. Выпускной клапан 14, в основном, обеспечивает безопасность газосмесительного устройства 10, и определяет, был ли выполнен выпуск выпускным клапаном 14 в соответствии с определенным значением давления газа газосмесительного устройства 10. Смешанный восстановительный газ распыляют в секции 6 быстрого охлаждения бустерным насосом 22; при этом смешанный восстановительный газ может быть распылен на поверхности полосовой стали 1 с определенным углом наклона кругообразным образом для того, чтобы быстро охладить полосовую сталь. После быстрого охлаждения, восстановительный газ, нагретый стальной полосой 1, вводят в секцию 5 медленного охлаждения посредством второго бустерного насоса 20, где он далее нагревается стальной полосой 1. Затем горячий газ поступает в реакционную секцию 4 и секцию 3 нагрева. Восстановительный газ поступает в секцию 2 предварительного нагрева слева (выход) направо (вход), при этом горячий восстановительный газ постепенно передает тепло холодной полосовой стали 1, а температура восстановительного газа сама по себе снижается при нагреве полосовой стали 1, а охлажденный восстановительный газ (в этот момент концентрация водорода снижена, а содержание воды увеличено) извлекают на входе стальной полосы 1, чтобы начать новый цикл удаления воды, очистки и регенерации (восстановление восстановительного свойства).
По сравнению с предшествующим уровнем техники, настоящее изобретение имеет следующие преимущества: избыточный восстановительный газ, не участвующий в реакции восстановления полосовой стали, может быть полностью переработан, что экономит ресурсы и снижает производственную себестоимость; энергия может быть использована эффективно, а именно - охлажденный и высушенный смешанный восстановительный газ на выходе газосмесительного устройства используется для охлаждения горячей восстановленной полосовой стали, а высокотемпературный газ после реакционной секции используется для нагрева и предварительного нагрева полосовой стали, так что тепловая энергия и восстановительного газа, и полосовой стали используется эффективно; при рециркуляции газа загрязняющие вещества выделяются в малом объеме, и, в принципе, может быть реализован процесс с нулевым выбросом.