Высокие и постоянно растущие технико-экономические требования к производству и продукции, а также потребность в увеличении производственных мощностей делают актуальной задачу по модернизации существующих устаревших нагревательных печей или их замену на новые, разработанные с использованием новейших технических решений.
При этом часто выдвигаются следующие требования:
- гибкость загрузки печи по маркам стали и размеру заготовок;
- точное выдерживание температурных графиков нагрева;
- точное поддержание атмосферы в печи;
- минимизация потерь материала при последующей обработке;
- выход изделий постоянного качества;
- всеобъемлющая эффективность.
Кроме того, удержание количества вредных выбросов в дымовых газах на заданном уровне или ниже его – очевидное, хотя и не легко выполнимое требование. Не подлежит сомнению и требование по оптимизации производительности печи во все периоды производственного цикла, также как и эффективное использование энергоносителя – природного газа.
Фирма Maerz-Gautschi (Германия), специализирующаяся в области строительства печей для металлургии, в сотрудничестве с фирмой Kromschroeder, ведущим мировым производителем оборудования для систем отопления и газоснабжения промышленных печей, применила новейшие технологии при строительстве новой печи с шагающими подом (рис. 1 и 2), которая должна удовлетворять вышеуказанным требованиям. На примере этой современной нагревательной печи для прокатного производства будет рассмотрен ряд применённых технических решений.
-
Рис. 1 Печь с шагающим подом -
Рис. 2 Сводовые плоскопламенные горелки печи с шагающим подом
Требования к системе отопления современной нагревательной печи довольно широки. С одной стороны должен быть обеспечен широкий диапазон регулирования, а с другой – печная атмосфера при этом должна точно соответствовать высоким требованиям к качеству нагреваемого металла. Система сжигания природного газа должна быть функционально гибкой и легко адаптируемой к различным требованиям в процессе производства. Ниже наиболее существенные требования описаны более подробно.
Требования к системе отопления современной нагревательной печи довольно широки. С одной стороны должен быть обеспечен широкий диапазон регулирования, а с другой – печная атмосфера при этом должна точно соответствовать высоким требованиям к качеству нагреваемого металла. Система сжигания природного газа должна быть функционально гибкой и легко адаптируемой к различным требованиям в процессе производства. Ниже наиболее существенные требования описаны более подробно.
Требование 1 Равномерное температурное поле по всей ширине печи или зоне печи
Нагрев изделий с заданной равномерностью по всему сечению является важным критерием в отношении ожидаемого качества проката. Кроме того, в случае различных геометрических размеров нагреваемых заготовок, а также варьируемых марок сталей следует точно выдерживать различные для разных заготовок температурные графики нагрева. Адаптируемые температурные зависимости позволяют избежать термического перегрева материалов. Далее, изменяющаяся скорость прохождения заготовок через печь (рис. 3) также влияет на качество их нагрева.
Приведенная здесь в качестве примера печь с шагающим подом для нагрева листов из специальной стали работает в непрерывном режиме в диапазоне температур 1050 – 1250°C. Применение рекуператора в этом диапазоне температур является целесообразным с экономической точки зрения, поэтому газовые горелки, а также вся система регулирования теплового процесса печи, должны соответствовать температуре дутьевого воздуха, подогреваемого примерно до 450°C. При выборе запорно-регулирующей арматуры обращено особое внимание на её термостойкость. При проектировании предусмотрена также соответствующая теплоизоляция воздуховодов.
Требование 3 Качественное сжигание при малом содержании свободного кислорода в атмосфере печи
Свободный кислород O2 в атмосфере печи образует на поверхности металла слой окалины с известными отрицательными свойствами, например, снижение качества его поверхности и возможный последующий брак при прокатке. Образование окалины, таким образом, оказывает отрицательное влияние на технико-экономические показатели работы всего прокатного комплекса. Образование окалины находится в прямой (пропорциональной) зависимости от установленного в горелке соотношения газ-воздух (коэффициента избытка воздуха). Поэтому одним из основных требований к системе управления горелками является возможность точной установки соотношения газ-воздух во всем диапазоне регулирования мощности и при различных температурах подогрева воздуха. Наличие системы регулирования давления в печи представляет собой важное дополнение для достижения низкого уровня O2 в рабочем пространстве печи.
Требование 4 Надёжность
После ввода печи в эксплуатацию следует обеспечить надлежащее обслуживание всех её систем. Этому способствует налаженное обеспечение необходимыми запасными частями и расходными материалами в течение всего времени эксплуатации печи. Удобство обслуживания системы отопления (газовых горелок, систем автоматики безопасности и регулирования, запорно-регулирующей арматуры) также является важным аспектом. Регламентное обслуживание оборудования и компонентов, поставляемых фирмой Kromschroeder, проводится быстро и легко, не мешая процессу эксплуатации.
При температуре в печи выше 1000°C в рабочем пространстве печи преобладает лучистый теплообмен. Комбинация горелки с сильно раскрученным потоком газовоздушной смеси и конусно раскрывающегося огнеупорного горелочного камня образует факел, стелющийся по поверхности горелочного камня и прилегающей к камню футеровки. Выгорающий на огнеупорной поверхности факел создаёт достаточно большую излучающую поверхность. В качестве газогорелочного устройства, отвечающего данной задаче, выбрана плоскопламенная горелка типа BIO фирмы Kromschroeder (рис. 4).
-
Рис. 4 Плоскопламенная горелка BIO K -
Рис. 5 Плоское пламя горелки ZIO K вид спереди
За счёт большой площади раскрытия пламени и разогрева горелочного камня и футеровки печи появляется возможность добиться интенсификации процесса теплопередачи от футеровки к металлу. В результате того, что пламя благодаря сильной раскрутке, растекается по конусу горелочного камня, в центре образовавшейся воронки возникает разрежение. В эту зону пониженного давления подсасываются дымовые газы, которые вторично попадают в факел. Эти дымовые газы из атмосферы печи обеспечивают некоторое снижение температуры факела горелки. Таким образом, температура пламени может поддерживаться на относительно низком уровне даже при высоких температурах печи и подогрева воздуха, тем самым, предотвращая образование NOx в слишком высоких концентрациях.
Важнейшей частью плоскопламенной горелки является смеситель. Специальная форма смесительного узла гарантирует качественное, близкое к стехиометрическому, сжигание газа во всём рабочем диапазоне мощности горелки. Горелка имеет встроенные электроды для розжига и контроля пламени. Для расширения диапазона регулирования при ступенчатом управлении, а также для розжига, горелка может оснащаться встроенной пилотной горелкой. При выключенной основной горелке она может обеспечивать мощность холостого хода печи. При этом даже в режиме холостого хода обеспечивается режим низкого содержания O2 в атмосфере печи. Специальное защитное устройство смесителя из SiC защищает смесительный узел от перегрева, в особенности на режимах минимальной мощности.
В собственной лаборатории фирмы Kromschroeder была смоделирована геометрия горелочного камня оптимально удовлетворяющая требования данной конкретной печи.
Возможность раздельного ионизационного контроля пламени основной горелки и пилотной горелки с помощью автомата управления горелкой Kromschroeder BCU 480 обеспечивает максимальную безопасность и надёжность. Дополнительное подсоединение автомата управления BCU 480 через шину Profibus-DP обеспечивает простую и полную интеграцию управления горелками в систему автоматизации печи.
Чтобы существенно повысить КПД печи, она оснащена рекуператором. Таким образом, вносится вклад, как в защиту окружающей среды, так и в снижение энергозатрат.
В данном случае для управления подачей горячего воздуха к горелкам идеально подходит сервопривод Kromschroeder IC 40 в комплекте с дроссельной заслонкой BVH (рис. 6). Запатентованная конструкция дроссельной заслонки BVH с клапаном TWINDISC® даже при температуре горячего воздуха в 450° C обеспечивает его минимальные протечки и таким образом, выполнение самых высоких требований по минимальному содержанию O2 в атмосфере печи. Сервоприводом осуществляется установка мощности горелки и коэффициента избытка воздуха. Компенсация различия плотности горячего и холодного воздуха осуществляется путем изменения скорости вращения вентилятора.
-
Рис. 6 Заслонка BVH с сервоприводом IC 40 -
Рис. 7 Заслонка BVG с сервоприводом IC 40
Простая и одновременно эффективная регулировка мощности горелок и коэффициента избытка воздуха может осуществляться применением электронных сервоприводов типа IC 40. Подаваемый на сервопривод цифровой сигнал может осуществлять переключение горелки на минимальный или максимальный расход. Подаваемый аналоговый сигнал (4..20 мА) задает любое, соответствующее сигналу, положение (рис. 8). Положение сервопривода однозначно определяется этими аналоговым и цифровым сигналами. Аналоговый сигнал управляет значением коэффициента избытка воздуха, а цифровой – мощностью горелки. Таким образом, можно дистанционно автоматически или в ручном режиме управлять мощностью горелок и коэффициентом избытка воздуха при любых изменениях в работе печи.
Простое перепараметрирование сервопривода IC 40 позволяет в дальнейшем осуществлять любые необходимые изменения режима работы горелок. В настоящее время в памяти сервопривода имеется 16 стандартных режимов. Вместе с почти неограниченным числом комбинаций основных параметров достигается неограниченная гибкость в задании режимов работы горелок. Сервопривод имеет внутреннюю память для сохранения настроенных параметров, а также ведения статистики работы и возникавших неисправностей.
Реализация газоснабжения
Например, при двухступенчатом режиме управления сервопривод IC 40 на газопроводе устанавливает два уровня мощности горелки – минимум и максимум (Рис. 9). Для точной установки значения коэффициента избытка воздуха достаточно, чтобы осуществлялась корректировка расхода воздуха перед горелкой с помощью воздушного сервопривода IC 40. Аварийное отключение подачи газа на горелку осуществляется при помощи предохранительного электромагнитного клапана типа VG.
Фирмой Kromschroeder выпускаются высокоэффективные газовые горелки и средства автоматизации, применение которых позволяет строить металлургические печи с высокими технико-экономическими параметрами.
Серия газовых горелок позволяют реализовать любые теплотехнические схемы отопления печей. Горелки имеют встроенный розжиг и контроль пламени. Системы розжига и контроля пламени горелок предназначены для работы на металлургических печах с тяжелыми условиями эксплуатации. Горелки позволяют работать на различных видах горючих газов, применяемых в металлургии.
Сервопривод IC 40 с возможностью гибкой параметризация позволяет применять его для самых сложных случаев управления тепловым процессом в печи.
Всё вышеупомянутое оборудование фирмы Kromschroder сертифицировано для применения на территории таможенного союза.