Система автоматического регулирования температурного режима в нагревательном колодце

 

Введение

 

Автоматизация широко внедряется в металлургическое производство. Уже сейчас невозможно представить себе технологический агрегат современного металлургического завода, работающий без необходимых приборов контроля и регулирующей аппаратуры.

Внедрение автоматизации тепловых металлургических агрегатов приводит к сокращению участия рабочей силы в их управлении. Благодаря автоматизации появляется возможность увеличить производительность агрегата и снизить себестоимость продукции. Труд работников, обслуживающих автоматизированные агрегаты, значительно облегчается в результате применения механизмов и регуляторов. Уменьшение количества ручного труда позволяет работникам значительную часть времени уделять наблюдению и анализам технологического процесса, искать средства для его интенсификации, своевременно предупреждать возможности появления брака производства и возникновения аварий агрегата.

Одной из основных отраслей тяжелой промышленности является черная металлургия. Для дальнейшего увеличения выпуска проката необходима более совершенная эксплуатация существующих и строительство новых прокатных станов, а также обеспечение качественного нагрева предназначенных для прокатки слитков.

В прокатном производстве для нагрева слитков и заготовок перед прокаткой и для термической обработки полупродукта и готовой продукции применяют различные типы нагревательных устройств. 
        Для нагрева крупных слитков перед прокаткой на блюминге или слябинге применяют нагревательные колодцы.[5,1]

 

 

 

 

 

 

 

1 Общая часть

 

1.1 Краткая  характеристика технологического  процесса и агрегата 

Нагревательные колодцы — основной тип нагревательных устройств, устанавливаемых перед обжимными станами (блюмингами и слябингами), на которых обычно прокатывают слитки весом не менее 2—3 т и толщиной 350 — 400 мм и более. Преимущества нагрева крупных слитков в нагревательных колодцах по сравнению с нагревом их в печах других типов следующие: 
- вследствие вертикального расположения слитков в нагревательном колодце устраняется опасность смещения усадочной раковины при поступлении в колодец слитков с не застывшей сердцевиной; 
- благодаря вертикальному расположению слитков большая часть их поверхности омывается продуктами сгорания топлива и получает тепло путем излучения от кладки, что обеспечивает более равномерный и быстрый нагрев металла, чем в печах других типов; 
-  загружают и выгружают тяжеловесные слитки в вертикальном положении сравнительно просто (колодцевыми кранами).

Как известно, тепла, содержащегося в только что затвердевшем слитке стали с температурой поверхности примерно не менее 1000°, достаточно для того, чтобы вся масса металла слитка была доведена до температуры прокатки. Поэтому такой слиток достаточно было бы выдержать некоторое время в не отапливаемой, но хорошо теплоизолированной камере для выравнивания температуры по сечению слитка. Затем слиток без дополнительного подогрева можно было бы выдавать на стан для прокатки.

Однако существующие сталеплавильные агрегаты являются агрегатами периодического действия, а прокатные станы – непрерывно действующими агрегатами.  В отдельные периоды, например при совпадении выпуска плавок из нескольких сталеплавильных агрегатов, остановке, стана по какой-либо причине, а также при прокатке трудоемких профилей, в обжимной цех

 

 

поступает горячих слитков больше, чем их можно прокатать на стане. При задержке в выпуске плавок в обжимные цехи нельзя подать необходимое для обеспечения их производительности количество горячих слитков. Поэтому между сталеплавильным и обжимным целями должно быть предусмотрено буферное устройство, компенсирующее неравномерность поступления и переработки слитков на стане. Таким буферным устройством служит теперь отделение нагревательных колодцев.

Топливом для нагрева металла в нагревательных колодцах служит смешанный газ. Используют также смесь с природным газом и предварительно подогретый чистый доменный газ. Нагрев металла в обжимном цехе осуществляется в нагревательных колодцах регенеративного типа. 

В зависимости от способа нагрева воздуха и газа различают регенеративные (самые давние колодцы) и рекуперативные нагревательные колодцы.

В данной работе рассмотрен регенеративный нагревательный колодец.

Регенеративный нагревательный колодец – нагревательный колодец, в котором подогрев газа и воздуха происходит в регенераторах. Схема этого колодца приведена на рис. 1. Рабочее пространство имеет длину 3-6 м, ширину – около 2 м и глубину – 3 3,5 м. Масса садки около 45-80 тонн. Слитки располагаются по длине колодца вдоль стен. Колодец работает с реверсивным движением факела. 

Регенеративные теплообменники представляют из себя камеры, запол-ненные огнеупорными кирпичами в определённом порядке. Система укладки кирпичей называется насадкой (решёткой). Чаще всего используются насадки Каупера и Сименса.

В насадке Сименса идёт чередование под прямым углом параллельных рядов кирпича. Между кирпичами и под кирпичами остаются проходы для

 

 

 

газов. При закупорке одного из вертикальных каналов шлаковыми отложениями нижняя часть насадки продолжает работать. Это достоинство насадки Сименса. Одновременно с этим насадка имеет высокий коэффициент теплоотдачи и склонность к перегреву и оплавлению кирпича при насыщении его окислами железа.

В насадке Каупера поверхность нагрева представляет собой сплошные вертикальные каналы с более низким коэффициентом теплоотдачи и с меньшей поверхностью теплообмена. Насадка Каупера более надёжна при высоких температурах, т.к. медленнее нагревается и имеет повышенную строительную прочность. Поэтому насадку Каупера используют для верхних рядов, а насадку Сименса – для средних и нижних рядов.

Принцип работы колодца следующий. Слитки холодного или горячего посада помещаются с помощью клещевого крана вдоль стенок рабочего пространства нагретой ячейки. Через одну из пар регенераторов (например, правую) подаётся воздух и газ, которые несколько перемешиваются в надрегенераторном пространстве и образуют факел в объёме ячейки. Горячие газы (дым) уходят в левую пару регенераторов, подогревая их. После достижения верхними рядами регенеративной насадки предельной температуры (примерно через 15-30 минут) происходит перекидка газового и воздушного клапанов. В результате газ и воздух будут проходить через левые регенераторы и там нагреваться.

Дымовые газы будут нагревать правую пару регенераторов. Через те же 15-30 минут снова произойдёт перекидка клапанов и цикл повторится. Время между перекидками клапанов влияет на расход топлива. С одной стороны, при коротких интервалах снижается температура дыма после регенератора и, соответственно, снижается расход топлива. С другой стороны, при коротких интервалах, увеличивается непроизводительный расход топлива, которое

заполняет насадку газового регенератора перед перекидкой и вытесняется встречным потоком дыма в дымовую трубу.

 

 

После того как садка слитков нагреется до нужной температуры, слитки поштучно извлекают и отправляют на обжимной стан. Время нагрева металла зависит от начальной температуры слитков, размеров их сечения и составляет при холодном посаде обычных слитков 6-7 часов.

Температура нагрева слитков колеблется в зависимости от марки стали в пределах 1200-1350 С. Максимальная температура дыма на входе в регенератор 1400-1450 С, на выходе – 500-600 С. Максимальная температура подогрева воздуха и газа 900-1000 С.

Для изменения направления дыма, факела (реверс факела) посредством изменения направления потоков газа и воздуха служат перекидные (переводные) устройства: для газа – герметичный клапан золотникового типа (клапан Фортера), показанный на рис. 1, а для воздуха – негерметичный клапан мотылькового типа (клапан "симплекс").

В клапане Фортера герметичность достигается применением водяных затворов. Клапаны подсоединены к регенераторам колодца посредством системы дымоходов. К каждому клапану от регенераторов подходят два дымохода (левый и правый), расположенные под регенераторами в два этажа (рис. 1). Между этими каналами на входе в клапан расположен центральный канал, связанный с дымовой трубой системой дымоходов.

Рассмотрим работу клапанов. Пусть, как показано на схеме рис. 1, в правые регенераторы поступают газ и воздух. Для этого золотник клапана Фортера и мотылек клапана "симплекс" перекрывают центральный и правый каналы в клапанах. По нижним дымоходам из левых регенераторов поступает дым в правый канал, а затем после разворота на 90 ° – в центральный канал. В период перекидки золотник и мотылек меняют свое положение. Теперь газ и воздух поступают в правые каналы клапанов и направляются для нагрева в левые регенераторы. Дым из правых регенераторов по верхним дымоходам поступает в левые каналы клапанов,

 а затем  после разворота в центральный  дымоход. Таким образом,

 

 

в центральные каналы всё время поступает дым из регенераторов. Дым из центрального канала направляется на дымовую трубу по следующей схеме. Сначала дым от каждой ячейки поступает в сборный дымоход для двух ячеек. Аналогично свой дымоход имеют и две другие ячейки. В общий дымоход перед дымовой трубой поступает дым от 4 ячеек через два сборных дымохода.

В дымоходе для каждой ячейки и в общем дымоходе для 4 ячеек установлены шиберы для регулировки тяги дымовой трубы. На группу из 4 ячеек установлен один вентилятор для подачи воздуха. В каждом воздухопроводе, идущем к клапану "симплекс", установлена поворотная заслонка.

Факел в регенеративном колодце находится достаточно близко к подине и обеспечивает температуру подины около С, что является пороговым значением для перевода шлака в жидкое состояние. Шлак состоит из окалины, осколков футеровки и некоторых легкоплавких соединений, остающихся в прибыльной части слитка после его разливки и охлаждения. Через шлаковую лётку шлак удаляется с подины непрерывно, а также периодически при специальном нагреве пустого колодца.

Удельный расход условного топлива зависит от среднемассовой температуры слитков в садке. При холодном посаде расход топлива около 55-65 кг у.т./т, а при горячем (С) посаде – от 20 до 40 кг у.т./т стали. С учётом затрат топлива на разогрев кладки после холодного ремонта, на простои, а также в зависимости от доли слитков горячего посада и их начальной температуры расход топлива на различных заводах изменяется от 35 до 45 кг у.т./т стали.[5,6,7]

1-крышка; 2-механизм перемещения  крышки; 3-газовый регенератор; 4-воздушный  регенератор; 5-слитки; 6-шлаковая лётка; 7-рабочее пространство (ячейка); 8-шлаковая  чаша; 9-золотник газового клапана; 10-газовый клапан; 11-подвод газа к ячейке

Рисунок 1 – Схема регенеративного нагревательного колодца

 

1.2 Основные  параметры технологического процесса  и регулирующие воздействия

Каждая ячейка имеет индивидуальные перекидные устройства: клапан золотникового типа на газовом тракте и клапан мотылькового типа на воздушном тракте. Для удаления продуктов сгорания каждая группа имеет свою дымовую трубу. В каждой ячейке тяга регулируется шибером, установленным в дымовом борове. 
         Каждая ячейка оборудована системой теплового контроля и автоматического регулирования, состоящей из следующих узлов: 

        - измерения и регулирования температуры в рабочем пространстве ячеек;

        -измерения расхода газа и воздуха и регулирования соотношения газ —       воздух; 
        - измерения разрежения перед дымовым шибером;

    

 

        - автоматической перекидки клапанов; 
        - измерения температуры отходящих газов; 
        - измерения давления смешанного газа в общем коллекторе

Система автоматизации предназначена для автоматизированного контроля и управления процессом нагрева слитков и получения слитков, соответствующих по качеству нагрева требованиям технологии изготовления слябов. Создание системы призвано снизить себестоимость продукции, обеспечив:

        - высокое качество нагрева с учетом исходного температурного состояния слитков;

        - максимальную производительность нагревательных колодцев;

        - отсутствие при нагреве слитков оплава поверхности;

        - минимизацию угара металла и расхода топлива;

        - стойкость нагревательных колодцев;

        - устойчивую технологию нагрева.

Работа нагревательного колодца оценивается по следующим основным параметрам: 
        - температура нагрева метала; 
        - экономичность сжигания топлива; 
        - атмосфера в печи;

       - давление в рабочем пространстве;

        - температура подогрева газа и воздуха; 
        - равномерность подогрева заготовки, которая оценивается косвенно по усилиям, возникающим при прокатке. 
         Процесс управления нагревом происходит в условиях изменяющихся возмущающих воздействий: 
        - производительности нагревательного колодца; 
        - подачи топлива и воздуха;