Реконструкция башенной печи для отжига трансформаторной полосы

Главным недостатком протяжных  печей является то, что в печи почти полностью отсутствует  циркуляция атмосферы и процент  нагрева полосы с помощью конвекции  очень мал, поэтому процесс передачи тепла в них осуществляется в  основном излучением, что не очень  эффективно при нагреве светлой  полосы в печах с невысокой  температурой 500÷1000 °С.

Протяжные печи включаются в состав непрерывных линий, в  которых часто наряду с термической  и термохимической обработкой металла  осуществляют предварительную очистку  полосы, травление, нанесение различных  покрытий и другие операции.

Внедрение непрерывных линий  позволяет механизировать и автоматизировать процесс, в результате чего достигается  высокая производительность труда. Схема непрерывной линии для  отжига стали с вертикальной протяжной  печью показана на рисунке 1.

 

Рисунок 1 – Схема линии  для отжига стали с вертикальной протяжной печью

 

Благодаря этим преимуществом  протяжные печи находят все более  широкое применение при обработке  различных лент: малоуглеродистой, трансформаторной, динамной, нержавеющей, оцинкованной, алюминированной, из медных сплавов и других цветных металлов и сплавов.

Конструкция протяжных печей  в значительной степени зависит  от метода обработки полосы. При  темной обработке, то есть обработке, в  процессе которой поверхность металла  не защищается от окисления, нагрев полосы проводят в атмосфере продуктов  сгорания топлива, а охлаждение на воздухе  или в воде. При светлой обработке полосу нагревают и охлаждают в атмосфере контролируемого состава. В этом случае соприкосновение полосы с воздухом или водой допустимо только после охлаждения ее до определенной температуры, при которой окисление металла невозможно.

Протяжные печи для светлой  обработки – наиболее распространенный вид печей этого типа, конструкция  которых зависит от технологии обработки  применяемых способов нагрева и  охлаждения.

В зависимости от направления  протягивания полосы протяжные печи бывают горизонтального и вертикального  типов. Горизонтальные печи по условиям транспортирования нельзя делать длиной более 150-200 м, поэтому они пригодны при сравнительно небольшом объеме производства. В протяжных вертикальных печах полосу протягивают по нескольким вертикальным ходам, поэтому их можно  использовать при более большом  объеме производства, чем горизонтальные.

В печах подвергают термической  и термохимической обработке  полосу или ленту шириной до 1550 мм и толщиной до 1 мм в вертикальных печах и до 6 мм в горизонтальных. Для транспортирования полосы или ленты используют тянущие ролики, расположенные на печи. Внутри печи находятся только поддерживающие ролики, расположенные на значительном расстоянии друг от друга.

Общая длительность цикла  обработки в протяжных печах  не должна превышать 5-10 минут, так как  в противном случае необходима чрезмерно  большая длина полосы, что затрудняет ее транспортирование. Поэтому протяжные  печи не применяют в тех случаях, когда необходимы длительная выдержка или очень медленное охлаждение.

Для протяжных печей характерен обычный для непрерывных печей  тепловой и температурный режим  – постоянный по времени и переменный по длине печи. Источники тепла (в  камерах нагрева) или устройствах  для охлаждения (в камерах охлаждения) должны быть распределены по пути движения полосы.

Режим в протяжных печах  термической и термохимической  обработки холоднокатаной полосы в  атмосфере контролируемого состава  многостадийный: нагрев, выдержка и  охлаждение с различными скоростями, в соответствии с технологическим  процессом. Полосу в печи охлаждают  до температуры 120-150 ºС, при которой полоса может быть выдана на воздух (или воду) без опасности окисления. В этих печах поверхность полосы светлая, а ее температура в последней части участка охлаждения ниже 500 ºС. При данных условиях эффективность теплообмена излучением мала, а поэтому на участках низкотемпературного охлаждения целесообразно всемерно развивать теплообмен конвекцией. В обогреваемых камерах применяют радиационные трубы или электрические нагреватели сопротивления.

 

1.2 Расчет протяжных печей с атмосферой контролируемого состава

 

При расчете протяжных  печей с атмосферой контролируемого  состава исходят из следующих  положений.

Теплообмен излучением рассчитывают для серых тел в лучепрозрачной среде. В связи с тем, что поверхность полосы и нагревателей светлая, роль конвекции большая, и ее следует учитывать в расчетах. Теплоотдачи конвекцией между электронагревателями и неподвижным газом считают по законам свободного движения, а между газом и движущейся полосой – по законам принудительного движения при скорости движения полосы.

Длительность нагрева  и охлаждения с целью выбора длины  печи рассчитывают по методике нагрева  и охлаждения металла. Остальные  размеры камер нагрева и выдержки принимают конструктивно.

Параметры подводящих и отводящих  трасс и тягодутьевых устройств  определяют на основании гидравлических расчетов.

1.3 Обеспечение предварительного газового нагрева и глубокого использования тепла

 

Протяжные печи потребляют большое количество энергоресурсов. Изучив процесс нагрева полосы в  башенных печах, были сделаны следующие  выводы. Так как на начальной стадии производится нагрев до температуры, которая  исключает окисление металла, можно  заменить нагрев полосы электронагревателями на предварительный газовый нагрев продуктами сгорания, что значительно  экономичнее. В целях экономии электроэнергии данным проектом предлагается разработать  камеру предварительного подогрева полосы, состоящую из двух вертикальных проходов.

Подогрев полосы в первом проходе будет осуществляться продуктами сгорания, а во втором проходе - в защитной атмосфере с помощью радиационных труб. При этом для открытого подогрева целесообразно использовать продукты сгорания после радиационных труб, что позволяет глубоко использовать тепло продуктов сгорания. Для интенсификации открытого подогрева продуктами сгорания целесообразно использовать струйную подачу теплоносителя на полосу.

Интенсивный нагрев осуществляется за счет прохода со струйной обдувкой, где очень высокий коэффициент теплоотдачи конвекцией вследствие большой скорости истечения смеси продуктов сгорания и воздуха из отверстий блоков, а также за счет прохода с радиационными трубами. Температура электронагревателей и угловой коэффициент излучения выше, но общая площадь поверхности излучения в проходе с электронагревателями в два раза меньше чем в проходе с радиационными трубами. Поэтому, несмотря на меньшую температуру поверхности, радиационные трубы нагревают быстрее.

1.4 Описание камеры подогрева

 

Камера подогрева будет  располагаться перед камерой  нагрева и осуществлять предварительный подогрев полосы. Камера имеет два прохода полосы: открытого струйного подогрева уходящими продуктами сгорания и подогрев полосы с помощью радиационных труб. В первом проходе полосы располагаются блоки струйной обдувки, в которые подаются продукты сгорания от радиационных труб, установленных во втором проходе камеры.

Для организации струйного  подогрева продукты сгорания от радиационных труб подаются в блоки струйной обдувки. С этой целью в каждом блоке струйной обдувки установлено по два центробежных вентилятора, перед которыми продукты сгорания  разбавляются воздухом до температуры 450 ºС.

Вентиляторы отсасывают продукты сгорания из радиационных труб, поэтому  организована работа радиационных труб под разрежением. Это позволяет  надежно обеспечить защитную атмосферу  в проходе, избежать попадания продуктов сгорания в рабочее пространство печи в случае прогара, образования трещин, разуплотнения соединений радиационных труб.

После струйной обдувки продукты сгорания отбираются дымососом в дымовую трубу.

2 Тепловой расчет камеры нагрева башенной печи до и после реконструкции

2.1 Расчет нагрева полосы в камере нагрева башенной печи до реконструкции

 

Производится расчет продолжительности  нагрева полосы в камере существующей печи.

Производительность печи Р = 35 т/ч.

Толщина полосы равна 0,35 мм, тогда полутолщина δ= 0,175 мм. Ширина полосы b=1 м.

Скорость движения полосы:

 

 

(1)

где – плотность электротехнической стали.

 

 = 7 850 кг/м³;

 

Нагрев полосы в камере нагрева осуществляется от 20 ºС до 800 ºС. Нагрев осуществляется проволочными электронагревателями из стали Х20Н80Т3, расположенными на стенах проходов. Температура электронагревателей t_эл=1000 ºС. Диаметр проволоки d_эл=0,007 м, а средний шаг между ветвями S_эл=0,05 м [7].

Расчет выполняем для  теплотехнически тонкого тела при совместном действии излучения и конвекции. Для более точного расчета следует разбить нагрев полосы по температуре на четыре расчетных участка. Также находится средняя температура по участкам.

 

 

(2)

 

Данные по температурным участкам и средняя температура, посчитанная по формуле (1), представлены в таблице 1.

 

 

Таблица 1 – Начальная, конечная и средняя температура по участкам

Расчетный участок	Начальная температура, tнач, ºС	Конечная температура, tкон, ºС	Средняя температура, tср, ºС
I	20	200	110
II	200	400	300
III	400	600	500
IV	600	800	700

 

 

Зная среднюю температуру  на участке можно найти среднюю  теплоемкость металла на участке, которая  находится из таблицы V.48 [8] теплоемкостей для электротехнической стали. Средняя теплоемкость металла по температурным зонам представлена в таблице 2.

 

 

Таблица 2 – Средняя теплоемкость по участкам

Расчетный участок	Средняя теплоемкость, см, кДж/ (кг·К)
1	2
I	0,495
1	2
II	0,532
III	0,557

 

Продолжение таблицы 2

IV

0,628

 

 

 Степень черноты металла  находится из таблиц 13.1 [8] для сталей со светлой блестящей поверхностью. Ее можно высчитать методом интерполяции, зная среднюю температуру по участкам. Степень черноты металла по участкам представлена в таблице 3.

 

 

Таблица 3 – Степень черноты  металла по участкам

Расчетный участок	Степень черноты металла, εм
I	0,553
II	0,562
III	0,571
IV	0,581

 

 

Также задаемся степенью черноты электронагревателей:

ε_эл= 0,5. 

Определение угловых коэффициентов  излучения зависит от положения  нагревателей и металла относительно друг друга. В данном случае металл принимается как бесконечная  плоскость, а нагреватель как  однорядный пучок гладких цилиндров.

Тогда угловой коэффициент  излучения от полосы на электронагреватель определяется по формуле:

 

 

(3)

где – диаметр проволоки, м;

      – шаг между ветвями, м.

 

Угловой коэффициент излучения  от электронагревателя к полосе находится  по формуле:

 

(4)

где – диаметр проволоки, м;

      – шаг между ветвями, м.

 

 

При подстановке значений в формулы (3) и (4) соответственно, получается:

 

 

С учетом кладки угловой  коэффициент излучения от полосы к электронагревателю находится  по формуле:

 

 

(5)

 

Угловой коэффициент излучения  от электронагревателя к полосе с учетом кладки определяется по формуле:

 

 

(6)

 

При подстановке значений в формулы (5) и (6) соответственно, получается:

 

 

Приведенный коэффициент  излучения:

 

(7)