МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ    

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«МАГНИТОГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ им. Г.И. НОСОВА»


Кафедра теплотехнических и энергетических систем
РЕФЕРАТ

по дисциплине      «Теплотехника и теплоэнергетика»

на тему:                 «Конструкция протяжных печей вертикального исполнения»
Исполнитель: Заитова Регина Ринатовна, студентка 3 курса, группа ФГЭ-08-1

Руководитель: Иванов Дмитрий Анатольевич
Магнитогорск, 2010

СОДЕРЖАНИЕ


ВВЕДЕНИЕ.. 3

I. Протяжная печь. 5

II. Конструкция протяжных печей. 7

III. Регулирование температуры.. 12

IV. Регулирование газового режима. 14

СПИСОК ИСПОЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ... 19

ВВЕДЕНИЕ

 В прокатных цехах заводов черной металлургии термической обработке подвергаются сортовой прокат, горячекатаный и холоднокатаный листы, холоднокатаная лента, рельсы и другая продукция. Применяемые виды термической обработки достаточно разнообразны.

Все виды термической обработки проката могут быть разделены на две группы:

1) режимы, связанные со значительными затратами времени на выдержку при определенной температуре и медленным охлаждением (отжиг, отпуск)

2) режимы, связанные лишь с нагревом металла в печи до определенной температуры с последующей выдачей на воздух (нормализация) или в жидкие сред (закалка).

Такое разделение оказывает решающее влияние на выбор типа применяемых печей. При термической обработке прокатной стали применяют печи двух типов (садочные и проходные).

Металл в садочных печах загружают на неподвижный под или на выкатную подину, и в процессе нагрева он находится в неподвижном состоянии. Загрузка металла осуществляется обычно в полуостывшую печь, и нагрев его происходит вместе с нагревом печи.

В проходных печах металл в процессе нагрева перемещается от одного конца печи к другому при помощи специальных механизмов.

Преимущество садочных печей заключается в их универсальности, поскольку в них могут быть обеспечены любые температурные и тепловые режимы. Однако большим недостатком садочных печей является то, что в них не достигается желаемая равномерность нагрева металла и они непригодны для поточного производства. Кроме того, в садочных печах большое количество тепла тратится непроизводительно, на периодический нагрев кладки печи.

Проходные печи более совершенны, так как в них обеспечиваются непрерывность, поточность производство и однородность нагрева металла. Работу этих печей можно полностью механизировать и автоматизировать. Непрерывность потока производства позволяет совместить термическую обработку с другими технологическими операциями (очисткой, резкой и др.). Следует отметить, что строительство высокомеханизированных проходных печей требует значительных первоначальных капитальных затрат, которые, однако, впоследствии окупаются.

При осуществлении режимов термообработки, связанных с длительной выдержкой, применение проходных печей нецелесообразно, так как для обеспечения необходимой производительности термического отделения пришлось бы создавать нерационально большое число крайне длинных печей. Разумное исключение в данном случае составляют протяжные печи для термообработки холоднокатаной ленты. Большое значение при выборе конструкции термических печей имеет качество получаемого металла. В частности, для автостроения необходим холоднокатаный лис, имеющий невысокую жесткость и пригодный для глубокой вытяжки – процесса широко распространенного на автомобильных заводах. Еще не так давно для отжига автолиста в рулонах повсеместно применяли садочные печи колпакового типа. Металл в них охлаждается медленнее, чем в протяжных печах и, имея меньшую жесткость, пригоден для штампования.

Однако в настоящее время для отжига автолиста все шире применяются протяжные печи, приспособленные для обработки автолиста при таких режимах, при которых лист получается с необходимыми характеристиками по жесткости.

 
I. Протяжная печь

Для термической обработки применяют колпаковые садочные печи и протяжные печи постоянного действия. В протяжных печах происходит обработка одного слоя ленты, что обеспечивает большую скорость и равномерность нагрева.

 Протяжная печь – печь непрерывного действия для  термической или химико-термической обработки металлической полосы (ленты) или проволоки,  а  также  для  нагрева  штрипсов  станов  непрерывной  печной  сварки труб. Штрипс – стальная полоса, используемая в качестве заготовки  для  производства  сварных  труб. Протяжные печи – более прогрессивные агрегаты, чем колпаковые печи, и соответствуют требованиям современного поточного производства. Они обычно входят в состав непрерывных линий, в которых наряду с термообработкой металла осуществляют ряд других технологических операций (травление, нанесение покрытий и др.)

Протяжные печи предназначены для термической или термохимической обработки тонколистового металла. Процесс термообработки в таких печах непрерывен, что позволяет получать металл с такими свойствами, которые не достигаются при нагреве в колпаковых печах. готовки  для  производства  сварных  труб.  Отжиг металла в протяжных печах имеет ряд преимуществ по сравнению с отжигом в колпаковых печах:

1. сокращение длительности отжига;

2. более высокие механические свойства и качество поверхности  за счёт высокой равномерности нагрева металла;

3. включение  отжига  в  непрерывный  процесс  очистки  металла,  травления, нанесения различных покрытий и т.д. За счёт этого ликвидация затрат на транспортировку рулонов от агрегата к агрегату и промежуточным местам складирования.

Однако  не  любой  металл  можно  пропускать  через  протяжные  печи. Например, в вертикальных печах можно обрабатывать ленту толщиной до 1 мм из-за частых перегибов,  а  в  горизонтальных печах – до 4-6 мм (протяжка прямолинейная, без перегибов). Достоинство вертикальных печей -   меньшая  производственная  площадь  и  выравнивание  поверхности  ленты, которая перед термообработкой может быть волнистая или с помятостями. При обработке одного слоя ленты можно обеспечить одинаковую температуру по ширине и длине ленты и одинаковое взаимодействие ленты с атмосферой печи. Все процессы в протяжных печах протекают с большой скоростью, и время нагрева в них составляет несколько минут по сравнению с десятками часов в колпаковых печах.

В протяжных печах выполняют термообработку различных видов: светлый рекристаллизационный отжиг; обезуглероживающий отжиг трансформаторных и динамических сталей; непрерывное цинкование малоуглеродистой стали и др.

II. Конструкция протяжных печей

По  конструктивному  признаку протяжные печи делят на горизонтальные (одно- и многоэтажные) и вертикальные (башенные). Полосу протягивают в одну (однорядные протяжные печи) или несколько (многорядные протяжные печи) ниток. В протяжной печи  для  патентирования (патентирование –  вид  термообработки проволоки, при котором сталь нагревают до 870-950 °С, а затем быстро охлаждают в ванне до 500 °С, после чего охлаждают на воздухе) проволоку протягивают горизонтально в несколько ниток (до 24). Протяжные печи  отапливаются  газовым  топливом,  иногда мазутом;  имеются  протяжные печи с электрообогревом.

  В вертикальных многоходовых печах лента движется петлями, многократно огибая поворотные ролики. При этом ее общая длина в печи может достигать 1 км. Скорость движения ленты – до 10 м/с, а толщина не более 1 мм. Подобные печи обычно состоят из трех частей: входной, печной и выходной. (рис. 145)





Входная и выходная секции отделены от печной секции петлевыми башнями, в которых накапливается запас полосы. Во входной и выходной секциях скорости синхронизируются со скоростями движения полосы в рабочей (печной) секции. Для этого устраивают специальные петлевые ямы, в которых положение свободно висящие ленты контролируется фотоэлементами. Скорость движения полосы во всех агрегатах задают в зависимости от скорости нагрева и охлаждения полосы.

В начале линии находятся два разматывателя рулонов. Один работает, а соседний готовится. Лента должна проходить через печь непрерывно без остановок, длина ленты достигает 1 км, а скорость – 10 м/с. Поэтому когда заканчивается лента на одном разматывателе, то обрезается задняя кромка этой  ленты  и  кромка фиксируется  на  сварочной машине  за  счёт  подъёма нижних роликов петлевой башни. Петлевые башни можно назвать буферами между печью и другими механизмами. В линию задаётся передний конец нового рулона, обрезается его кромка и на сварочной машине свариваются концы предыдущего и нового рулонов. Лента получает прежнюю скорость за счёт опускания роликов петлевой башни. В процессе движения поверхность ленты очищается в специальной ванне, промывается, высушивается и после прохода петлевой башни попадает в протяжную печь, состоящую из камеры восстановительного нагрева, камеры выдержки, камеры регулируемого  охлаждения и  камеры  ускоренного охлаждения. Размеры печи:  высота 15-20 метров, ширина 30-40 метров,  толщина  около 1,5 метра. Набор камер может быть разный на разных печах. Например, могут быть добавлены камера подогрева, камера нагрева продуктами неполного  горения (т.е. камера безокислительного нагрева), камера для нанесения покрытий.

Наиболее  энергоёмкой  частью  протяжной  печи  является  камера  восстановительного нагрева (рис. 146). Габариты камеры: высота 15-20 метров, длина 7-10 метров,  ширина  около 1,5  метра.  Камера восстановительного нагрева предназначена для нагрева металла до максимальной температуры, требуемой по технологии. В качестве нагревательных  устройств  камеры  восстановительного  нагрева  обычно  используются  радиационные  трубы. В камере нагрева металл нагревается до конечной температуры 700-730°С.  Эту камеру в топливных печах обычно отапливают коксовым или природным газом, сжигаемым в радиантных трубах. Побудителями  движения  ленты  являются  тянущие  ролики,  расположенные  за  печью.  Ролики  в  камере  восстановительного  нагрева  являются поддерживающими. Они имеют посередине бочки утолщение для лучшей центровки ленты. В случае обрыва ленты её можно снова заправить через верхние и  нижние  люки,  равномерно  расположенные  по  оси  роликов.  В нормальном  состоянии  люки  герметично  закрыты. Для  исключения  попадания  кислорода (воздуха)  вместе  с  входящей  лентой,  устроен механический затвор обычно из отжимных роликов.



Светлый отжиг полосы проводят чаще всего в азотной защитной атмосфере (4 % Н2 и 96 % N2). Чтобы дымовые газы не попадали в печь, радиантные трубы работают под разряжением. Разность между температурой в пчеи и конечной температурой около 200°С. При этом время нагрева полосы толщиной 0, 25 мм составляет 15-20 с. Предельная температура печи 1000°С, выше которой возможен перегрев и разрыв полосы.

В  камере  выдержки  технологический процесс поддерживается, например,  электрорадиационными  трубами,  располагаемыми вдоль стен кладки. Задача электрорадиационных труб – компенсация тепловых потерь через кладку. Камеры выдержки конструктивно весьма схожи с камерой нагрева с той лишь разницей, что в камеру выдержки подается такое количество тепла, которого было бы достаточно для покрытия тепловых потерь. Кроме радиационных труб, камеры нагрева и выдержки иногда оборудованы электронагревателями.

В камере замедленного охлаждения температура металла падает с 700-780 до 480°С в течение 25 с. В качестве охладителя камеры регулируемого  охлаждения  обычно  используется  рассредоточенная  система труб,  внутри которых пропускается воздух. Скорость охлаждения регулируют изменением расхода воздуха. Электронагреватели включают при разогревах и остановках печи.

В камере быстрого охлаждения металл охлаждается до заданной температуры.  Применяют две системы высокоскоростного охлаждения: первой предусмотрена установка в камере большого числа водяных теплообменов со встроенными вентиляторами для обеспечения интенсивности  движения охлажденного защитного газа. По второй системе охлажденный в водяных холодильниках защитный газ подается вентиляторами в вертикальные проходы и через щелевые отверстия с большой скоростью обдувает с двух сторон движущуюся полосу. Такое струйное охлаждение резко уменьшает время операции и позволяет сократить длину камеры.

На рис. 147 показан примерный температурный режим обработки ленты в протяжной печи.



Рис. 147 - Температурный режим цикла обработки ленты в протяжной печи:

сплошная линия – температура ленты; пунктир – температура печи;

L_п, L_н, L_выд, L_{рег.охл.}, L_охл., и h_о.охл. – длина камер: печи, нагрева, выдержки, регулируемого охлаждения, охлаждения и окончательного охлаждения.

Общая задача управления протяжными печами сводится к получению заданного качества ленты при примерно постоянной производительности. Качество обработки ленты определяется значениями скорости нагрева и охлаждения, временем выдержки и т. д. Задача управления заключается в точном поддержании заданного температурного графика. Кроме того, необходимо поддержание равномерности нагрева по ширине и длине ленты, а также требуемого состава контролируемой атмосферы.

 

 

III. Регулирование температуры

Протяжные печи разделяют на несколько зон регулирования температуры. Температура в зонах камер нагрева и выдержки измеряется хромель-алюмелевыми термопарами и поддерживается на заданном уровне ПИ-регуляторами, изменяющими подачу газа или электроэнергии. Возможно корректирование заданий регуляторам по температуре ленты в конце камеры, измеряемой радиационным пирометром. Однако показания пирометров недостаточно точны из-за меняющейся степени черноты поверхности ленты. Кроме того, корректирование не дает иногда необходимого эффекта из-за того, что инерционность по каналу возмущения (изменение скорости ленты) гораздо меньше, чем по каналу управления.

Была разработана система регулирования температуры ленты по тепловому балансу. Принципиальная схема такой системы изображена на рис. 148.



Рис. 148 - Принципиальная схема регулирования нагрева ленты в

 протяжной печи по фактической производительности:

, …,  – зоны регулирования

 

Сигналы, пропорциональные ширине, толщине ленты и заданной температуре ее нагрева задаются оператором с помощью задатчиков 1 параметров ленты. Скорость ленты измеряется тахометром 2 по скорости вращения входного ролика. Все сигналы поступают в устройство 3, в котором они перемножаются и преобразуются в сигнал, пропорциональный производительности печи и количеству тепла, необходимому для нагрева ленты до заданной температуры q_м. Этот сигнал в соответствующих долях поступает в зональные регуляторы расхода тепла 8. Сюда же подается сигнал с задатчика 4, пропорциональный потерям тепла в зоне Q_п, которые зависят от температуры в зоне, измеряемой термопарой и потенциометром 5. С прибора 6 поступает сигнал, пропорциональный количеству тепла, вносимого газом.

Таким образом, на вход регулятора 8 поступают сигналы, про­порциональные расходу тепла Q' = Q_м + Q_п  и приходу тепла Q" = Q_г. В случае рассогласования Q' ¹ Q" регулятор 8 с помощью исполнительного механизма 9 меняет расход газа, чем достигается выполнение уравнения теплового баланса Q_м + Q_п = Q_г.  Всякое изменение скорости движения ленты вызывает мгновенное нарушение баланса схемы и заставляет регулятор восстанавливать равновесие при новом значении скорости. Если для определения толщины ленты использовать автоматические измерители толщины, то схема будет также чувствительна к изменению геометрии ленты.

В печах с электрическим обогревом прибор 6 измеряет мощность, выделяемую в электрических нагревателях зоны. В схеме предусмотрен переход на регулирование температуры в зонах по заданному значению с помощью переключателей 7. Температура ленты в конце печи контролируется комплектом 10.

IV. Регулирование газового режима

Очень важной частью системы управления термическими печами является регулирование газового режима печи. На рис. 149 показана схема управления газовым режимом протяжной печи при использовании атмосферы одинакового состава для всей печи, например при светлом отжиге ленты под нейтральной атмосферой.



Рис. 149 - Принципиальная схема управления газовым режимом

протяжной печи для термообработки:

I – камера нагрева; II – камера выдержки; III – камера охлаждения

Газ контролируемого состава подается в печь в конце камеры охлаждения и движется в печи навстречу металлу. Газ выходит из печи частично через затворы 1, 3 и главным образом через свечу 2. Примерный расход защитного газа устанавливается экспериментально при наладке печи и контролируется расходомером 7. Величиной сброса газа через свечу также управляют с помощью переключателя 9 вручную при наладке печи.

Давление в печи измеряют у пода вблизи свечи и поддерживают на заданном значении регулятором 6 меняющим расход контролируемой атмосферы. Для улучшения качества регулирования давления в печи предусмотрена стабилизация давления в газопроводе регулятором 8.

В нескольких точках печи, обычно вблизи затворов и свечи, контролируется состав атмосферы. При светлом отжиге малоуглеродистой ленты с помощью автоматического газоанализатора 4 следят за содержанием кислорода, которое не должно превышать 0,01 – 0,02 %. В случае превышения этого содержания вручную увеличивают сброс газа через свечу, и регулятор давления 6 автоматически повышает расход защитной атмосферы при помощи исполнительного механизма 5.

Регулирование газового режима может быть построено и иным способом. Стабилизируется заданный расход контролируемого газа регулятором 7 (см. пунктир на рис. 149), а давление в печи регулируется регулятором 6 изменением сброса газа в атмосферу через свечу.

В некоторых случаях при термохимической обработке в разные камеры протяжной печи должны подаваться газы различного состава. На рис. 150 рассмотрена схема автоматического контроля и управления газовым режимом вертикальной многоходовой печи для обезуглероживающего отжига ленты трансформаторной стали. При этом виде обработки в камеры нагрева I и охлаждения V подается сухой азотный газ из коллектора 1, В секции II, III, IV камеры выдержки подается газ с различным содержанием водорода. Поэтому к каждой секции предусмотрен подвод газа от коллектора 1 и от коллектора 2, по которому поступает водородный газ, например диссоциированный аммиак.

В каждую зону и секцию охлаждения подается заданное количество азотного газа с помощью регуляторов 8, 11, 14. Общий расход газов на печь контролируется расходомером 6 и 7. Для получения требуемого содержания водорода в секциях камеры выдержки в каждую секцию подается водородный газ в заданном соотношении к расходу азотного газа регулятором соотношения 12. Задания регуляторам расхода газа и соотношения устанавливает оператор в зависимости от режима термообработки и фактического состава газа в печи.

Смесь азотного и водородного газов увлажняется в скруббере 3, и влажность смеси, однозначно связанная с его температурой, поддерживается двухпозиционным регулятором температуры 13, включающим и выключающим электронагреватели 4 водяного бака скруббера. После скруббера для предотвращения конденсации влаги газ подогревается нагревателем 5, и его температура контролируется прибором 10.

Состав газа в камере выдержки контролируется автоматическими газоанализаторами на водород 16 и влагомером 17. Для определения образующихся в процессе реакции обезуглероживания окиси углерода и метана применяют соответствующие комплекты автоматических газоанализаторов 18 и 19. Часто состав атмосферы печи желательно контролировать во многих точках. Обслуживание большого числа точек ограниченным числом приборов осуществляется с помощью переключателей газовых и электрических линий.



Рис. 150 - Схема контроля и управления газовым режимом вертикальной протяжной печи для обезуглероживающего отжига ленты  трансформаторной стали: I – камера нагрева; II – IV – секции камеры выдержки; V – камера охлаждения

 

При заполнении печи азотным газом и в процессе работы в камерах нагрева и охлаждения содержание кислорода контролируется газоанализатором 15. Направление движения газов между камерами I
– II и IV – V определяется газоанализаторами на водород и влагомерами. Отбор проб газа на анализ выполняется в соответствующем тамбуре. При обнаружении обратного потока газов из II в I или из IV в V камеру вторичные приборы газоанализаторов включают сигнальные лампы и звонок на тепловом щите. Кроме того, в тамбурах устанавливают свечи с постоянно работающими запальниками. При обратном потоке газов через свечи выходит водородсодержащий газ, образуя пламя, которое определяется визуально или с помощью термопары.

Для определения прогара труб воздушного охлаждения после эксгаустера, отсасывающего из них воздух, устанавливают сигнализатор наличия водорода. При прогаре одной из труб в нее засасывается атмосфера из печи, содержащая до 5 % водорода, и датчик сигнализатора улавливает наличие водорода. Давление в печи регулируется регулятором 9, воздействующим на сброс газа через свечу.

В системах регулирования газовых режимов печей с водородсодержащей атмосферой широко применяют пневматические приборы и регуляторы. Пневматическая аппаратура отличается высокой надежностью и ее можно применять во взрывоопасных и пожароопасных условиях.

Для обеспечения безопасной работы печи с контролируемой атмосферой предусмотрены: специальная автоматическая система пуска газа; сигнализация ряда параметров; система аварийного отключения и продувки печи. Аварийная продувка осуществляется из специального газгольдера с запасом азотного газа, равным пятикратному объему печи. Аварийная продувка азотным газом необходима в следующих случаях: при падении давления в печи ниже допустимого уровня; при падении давления сжатого воздуха, питающего приборы и регуляторы; при уменьшении подачи азота в камеру охлаждения ниже допустимого предела; при отключении электроэнергии.

Управление протяжными печами с помощью ЭВМ весьма целесообразно ввиду большой сложности управления температурным и газовым режимами. Основным критерием качества управления должны служить физические и химические свойства обрабатываемого металла. Дополнительным критерием может быть получение максимальной производительности при заданном качестве металла и минимальном расходе энергии.

Задача ЭВМ в отношении управления нагревом должна сводиться к выработке заданий регуляторам температуры в камерах нагрева, выдержки и охлаждения, обеспечивающих необходимую температуру нагрева и скорость охлаждения при разных режимах работы печи. В отношении управления газовым режимом должны решаться задачи расчета состава и потребления контролируемого газа в различных камерах и секциях в зависимости от исходного состояния ленты.

СПИСОК ИСПОЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.           Кривандин В.А., Филомонов Ю.П. «Теория и конструкции металлургических печей»

2.           Свинолобов Н.П., Бровкин В.Л. «Печи черной металлургии»

3.           Аптерман В.Н., Тымчак В.М. Протяжные печи. – М.: Металлургия, 1969. – 319 с.

4.           http://www.teplota.org.ua/