Технічні науки / Металургія

Усенко Ю.І., Іванов В.І., Скачков В.О., Чепрасов О.І.,

Болюк С.В., Моісейко Ю.В.

Запорожская государственная инженерная академия

ОПТИМІЗАЦІЯ РОЗМІЩЕННЯ ПОТУЖНОСТІ ЗА ВИСОТОЮ НАГРІВАЛЬНОГО КОВПАКА ЕЛЕКТРОПЕЧЕЙ ТИПУ ПСК

На декількох металургійних заводах країн СНД для одержання заданих механічних властивостей холоднокатаної сталевої штаби піддають відпалюванню її у ковпакових електропечах типу ПСК-210.

Електропечі обладнано нагрівачами опору стрічкового типу, що розміщені на внутрішній бічній поверхні нагрівального ковпака, та циліндровим нагрівачем опору, змонтованим у центрі склепіння ковпака та розташованим у тупиковій трубі муфеля. Встановлена потужність електропечі складає 265 кВт з наступним розподілом за зонами: верхня - 90, нижня - 142, циліндровий нагрівач - 33 кВт.

Результати досліджень за виробничих умов свідчать про наявність значної нерівномірності нагрівання металу в ковпакових електропечах зазначеного типу характеризується як за висотою стопи, так і у радіальному напрямі рулонів. При цьому на нагрівання нижніх рулонів стопи суттєво впливає дія охолодженого стенду та початкова нерівномірність розподілу температури за висотою нагрівального ковпака.

Для підвищення ефективності використання теплової енергії у печах даного типу проводили дослідження щодо раціонального розміщення нагрівачів опору в робочому обсязі та забезпечення можливості реалізації комбінованого підведення теплової енергії електричних і паливних джерел до зовнішньої та внутрішньої бічної поверхні рулонів стопи.

У зв'язку з цим було розроблено методику розрахунків на ПЕОМ з урахуванням двох періодів нагрівання стопи рулонів: періоду максимального підведення теплової енергії через бічну поверхню стопи та періоду підведення теплової енергії, що забезпечує задану постійну температуру поверхні металу.

Вивчали вплив на швидкість нагрівання нижніх рулонів стопи за наявності або відсутності циркуляції захисної атмосфери у робочому обсязі ковпакових печей, що розглядають нижченаведених температурних режимів:

- режиму з існуючим розподілом потужності за висотою робочого обсягу діючої ковпакової електропечі Т_зав = f₁(t);

- режиму з перерозподіленою потужністю нагрівального ковпака та центрального нагрівача опору за висотою робочого обсягу печі Т_печ = f₂(t);

- режиму за постійної та рівної для всіх рулонів стопи кінцевій температурі їхньої бічної поверхні Т_п = const.

Результати проведених досліджень дозволили встановити, що найбільш ефективне використання теплової енергії у печах даного типу сягається шляхом перерозподілу встановленої потужності нагрівального ковпака та центрального нагрівача опору за висотою робочого обсягу. При цьому область раціонального використання примусової циркуляції захисної атмосфери в робочому обсязі печі обмежується значенням товщини намотування штаб у рулони не більше ніж 0,35 м. Для рулонів з меншою товщиною намотування штаб доцільним є нагрівання їх як з боку зовнішньої, так і внутрішньої бічних поверхонь. Розрахунки на моделі показали, що рівномірне нагрівання поверхні металу за висотою стопи рулонів, яке є достатнім для практики, забезпечують, коли у нижній чверті нагрівального ковпака зосереджують 45…58% його встановленої потужності, а у нижній третині циліндрового нагрівача – 38…40% його встановленої потужності.

Залежність, що дозволяє здійснювати оптимальний перерозподіл потужності нагрівачів першої (нижньої) електричної зони за висотою нагрівального ковпака:

P_n = 45,05-67,10 /i + 32,95 /1*7

де Р_п - потужність п-го рівню розміщення нагрівачів, кВт; h - відстань від n-го рівню нагрівачів до основи ковпака, м.

Відповідно до цієї залежності потужність нижнього (першого) рівню нагрівачів склала 39,5 кВт, другого - 26,4, третього - 19,2, четвертого - 14,4, п'ятого - 11,5 та шостого - 10,2 кВт.

Потужність центрального нагрівача збільшили з 33 до 45 кВт і також перерозподілили згідно вищезазначеним рекомендаціям. Встановлено, що під час використання запропонованого перерозподілу встановленої потужності за висотою робочого обсягу печі, скорочення тривалості нагрівання сталевої штаби може сягати 19…26%, що дозволяє понизити питому витрату електроенергії з 0,186…0,192 до 0,138…0,143 кВт×год./кг.

Результати моделювання перевіряли на ковпакових електропечах типу ПСК діючих металургійних заводів. Аналіз даних щодо змінювання температури у точці стопи рулонів, що відстає під час нагрівання, одержаних за наявності або відсутності примусової циркуляції захисної атмосфери, підтвердив високу ефективність заходів, направлених на перерозподіл встановленої потужності за висотою робочого обсягу. Окрім того, сягається зменшення перепаду температури за висотою стопи в середині намотування, на внутрішній і зовнішній бічній поверхні рулонів відповідно на 80, 70 і 80° С.

Дослідження якісних показників металу показали, що холоднокатана штаба після термічної обробки у ковпакових електропечах з новим розподілом потужності характеризується кращими механічними властивостями та рівномірно розподіленою за її довжиною мікроструктурою.

Одним з шляхів підвищення ефективності використання теплової енергії у ковпакових електропечах даного типу є поєднання двох різнорідних автономних джерел теплової енергії: паливного - з боку зовнішньої бічної поверхні стопи рулонів та електричного - з боку її внутрішньої бічної поверхні.

Для ковпакової печі, що обладнано пальниками, розташованими у нагрівальному ковпаку, та центральним циліндровим нагрівачем, значною мірою усуваються недоліки, характерні як для електричних печей (обмежена потужність через нестачу поверхонь для розміщення нагрівачів опору, висока вартість електроенергії), так і для паливних печей даного типу (низька температура та ступінь чорноти продуктів горіння у тупиковій трубі муфеля).

Розроблено розрахункову модель печі з комбінованим підведенням теплової енергії, складено алгоритм і програму розрахунків на ПЕОМ процесу нагрівання металу.

Результати розрахунків показують, що обладнання газової ковпакової печі центральним нагрівачем потужністю 50 кВт дозволяє збільшити її продуктивність на 35…40%, скоротити тривалість нагрівання в 1,5…1,7 разів, понизити витрату газового палива на 15…17% та суттєво підвищити якість термічної обробки сталевої штаби.