Туяхов А.И. (проф. ДонНТУ), Богуславская Т.Н. (магистр ДонНТУ), Волкова Т.Г. (магистр ДонНТУ)

влияниЕ подсосов атмосферного воздуха на окисление металла в методической

нагревательной печи

Нагревательные печи металлургических заводов, предназначенные для нагрева заготовок под прокатку, относятся к негерметичным агрегатам, т.е. газовая среда рабочего пространства печи соединяется с внешней атмосферой.

Негерметичность обусловлена тем, что на боковых стенах располагаются неплотно закрывающиеся технологические окна, а на торцевых стенах имеются периодически открывающиеся окна (щели) посада и выдачи заготовок.

Образующиеся неплотности, как показывают непосредственные измерения на действующих печах [1], увеличиваются по ходу кампании из-за переменных температурных напряжений в конструктивных элементах, приводящих к искривлению прилегающих плоскостей, при этом, на некоторых окнах величина зазора достигает 5 мм. В отдельные зоны рабочего пространства печи через неплотности при отрицательном давлении поступает атмосферный воздух. Из других зон печи при положительном давлении печные газы выходят во внешнее пространство.

Как показывают измерения на действующей трехзонной печи, абсолютное давление в рабочем пространстве изменяется по всей длине печи. Так, в томильной зоне давление ниже атмосферного из-за инжектирующего действия торцевых горелочных устройств, что приводит к подсосам воздуха через рабочие окна и окно выдачи. В сварочной и на половине методической зон давление выше атмосферного, а на остальной части методической зоны – ниже атмосферного.

Характер изменения положительного и отрицательного давления, измеренное пневмометрической трубкой на действующей трехзонной методической нагревательной печи в последнюю треть кампании, показано на

рис. 1.

- точка отбора давления

Рисунок 1 – Изменение статического давления газовой среды по длине рабочего пространства нагревательной печи

Как видно из измеренных данных, наибольшие подсосы атмосферного воздуха происходят в томильной зоне, а наибольшие выбивания печных газов в сварочной зоне.

Общее количество атмосферного воздуха, которое поступает в рабочее пространство при различных значениях отрицательного давления, можно определить по формуле истечения газовых сред через отверстия (щели) при небольших перепадах давления:

, (1)

где - коэффициент сжатия струи, равный 0,62 [1];

F – расчетная площадь всех неплотностей, расположенных в зонах отрицательного давления, м²;

- перепад давления, Па;

- плотность газовой среды (атмосферного воздуха) при рабочих условиях, кг/м³.

Для определения при различных значениях предварительно рассчитывалась действительная площадь отверстий с использованием информации о содержании кислорода в продуктах сгорания. Отбор проб для анализа газовой среды производился из рабочего пространства печи на границе томильной и сварочной зон. В этой части печи состав продуктов сгорания практически одинаков по всему сечению благодаря наличию пережима сечения между зонами, что создает условия для хорошего перемешивания подсосанного воздуха с продуктами сгорания.

Расход подсосанного воздуха определялся по формуле, полученной для случая подачи вентиляторного воздуха в горелки с коэффициентом расхода меньше единицы:

, (2)

где 20,8% - содержание кислорода в воздухе;

%О₂ – среднее содержание кислорода в продуктах сгорания по результатам серии измерений;

- коэффициент расхода воздуха, определяемый по показаниям приборов – расходомеров газа и воздуха;

- расход воздуха, по прибору, м³/ч.

По формуле (2) произведен расчет количества поступающего в печь холодного воздуха для трехзонной методической печи производительностью 40 т/ч при следующих данных: 1,6 % О₂; =0,9; =3000 м³/ч. При измеренном давлении в средней части томильной зоны, равным «-34Па», величина подсоса составила 567 м³/ч или 19 % от расхода вентиляторного воздуха.

Полученная величина подсосов позволила определить действительную площадь всех неплотностей томильной зоны по формуле (1), которая составила F=0,0334 м². при известном периметре всех неплотностей (щелей), закрываемых крышками или другими уплотняющими устройствами, усредненный размер всех щелей составил м. На основе вышеприведенной методики была определена доля подсасываемого атмосферного воздуха в рабочее пространство печи в зависимости от перепада давления и виртуальной величины щелей и представлена в виде графиков на рис. 2.

Рисунок 2 – Зависимость доли подсосанного воздуха (% ∆V) от величины разрежения (Па) и размера щелей (, мм)

Представленную номограмму (рис. 2) можно разработать для любых трехзонных печей различной производительности и использовать для автоматической коррекции расхода вентиляторного воздуха и газа, что позволяет обеспечить оптимальный тепловой и технологический режимы в томильной зоне на заключительном этапе нагрева заготовок для их дальнейшей прокатки.

Система работает следующим образом. Датчик давления, установленный на боковой стенке средней части томильной зоны , выдает непрерывную информацию, поступающую в общую систему АСУ, в программное обеспечение которой входит расчетная номограмма зависимости величины подсосов от давления и величины зазора в конструктивных элементах печи. Выходной сигнал АСУ управляет работой исполнительного механизма, регулирующего органа расхода вентиляторного воздуха, обеспечивая коэффициент расхода воздуха близкий единице. Трудно определяемая величина () щелей неплотно прилегаемых конструктивных элементов вводится в программу оператором в течении всей длительности кампании: =2 мм – в первую треть кампании, =3 мм – во вторую и =4 мм – в последнюю.

Применение локальной системы автоматического регулирования тепловым режимом томильной зоны трехзонной методической печи позволяет заметно снизить окислительную способность печных газов при условии снижения концентрации свободного кислорода до нуля.

Оценка эффективности работы предлагаемой системы производилась по скорости роста пленки окалины, которая при прочих равных условиях (температуры металла, химического состава стали и др.) зависит от коэффициента расхода воздуха. По экспериментальным данным [2] скорость окисления металла линейно пропорциональна действительному коэффициенту расхода воздуха в интервале 1,00-1,15, т.е. снижение в этом интервале позволяет уменьшить потери металла от окисления не менее, чем на 15-20% в томильной зоне печи. Кроме того, уменьшение количества осыпающейся окалины улучшит состояние монолитной подины и обеспечит более лучшее условие проталкивания заготовок в печи.

Перечень ссылок

1. Филимонов Ю.П., Старк С.Б., Морозов В.А. Металлургическая теплотехника.- М.: Металлургия, 1974, 519 с.

2. Розенгард Ю.И., Потапов Б.Б., Ольшанский В.М., Бородулин А.В. Теплообмен и тепловые режимы в промышленных печах.- Киев-Донецк.: Головное издательство издательского объединения «Вища школа», 1986, 393 с.