Нагревательные колодцы. Режимы нагрева слитков в нагревательных колодцах. Приближенные материальный и тепловой балансы нагревательных колодцев

Нагревательный колодец – печь периодического действия (с верхней загрузкой и выгрузкой) для нагрева крупных стальных слитков перед прокаткой на обжимном стане. В колодце происходит нагрев слитков массой от 2-3 до 25 тонн. Толщина слитков обычно превышает 350‑ 400 мм, поэтому нагрев ведут с 4 сторон, устанавливая слитки вертикально в рабочем пространстве колодца. Колодцы объединяют в группы (по 2 или 4 колодца) и для каждой группы предусматривается отдельная дымовая труба.

Нагревательный колодец является печью камерного типа. В нём поддерживается одинаковая температура по всему объёму.

Принцип работы любого колодца следующий. Сверху открывается крышка и в камеру с помощью крана загружаются от 4 до 24 слитков. Эти слитки нагреваются до необходимой температуры, а после нагрева извлекаются поштучно и направляются для прокатки на обжимные станы (блюминги и слябинги). Далее цикл загрузки и нагрева слитков повторяется. Характерный температурный и тепловой режим нагрева слитков изображён на рис. 9.2.

а ‑ холодный посад; б ‑ горячий посад; t_печ ‑ температура печи; t_п и t_с ‑ температуры поверхности и середины металла; q_пt ‑ плотность теплового потока на поверхности металла

Рис. 9.2 – Режимы нагрева слитков в нагревательных колодцах

Нагрев имеет два периода. В первом периоде расход топлива или, другими словами, общая тепловая мощность печи – М, поддерживается на максимальном уровне. К концу этого периода температура печи достигает такого уровня, который в дальнейшем гарантирует качественный нагрев металла. Качество нагрева обеспечивается выдержкой во 2-м периоде при условии постоянства температуры печи (t_печ = const). В этом периоде достигает заданного значения температура поверхности металла (1200‑ 1350 °С) и перепад температуры по сечению слитка. Известно, что удельный перепад температуры в конце нагрева должен быть не более 100-300 °С на 1 метр толщины слитка. Первый период называют периодом нагрева или М = const, а второй период – периодом выдержки или t_печ = const. Можно отметить, что тепловой поток на металл в начальном периоде (М = const) несколько падает, а температура поверхности слитка повышается с постоянно снижающейся скоростью нагрева поверхности.

В нагревательные колодцы обычно поступает до 95 % слитков горячего посада с температурой поверхности, не превышающей 950-1000 °С. При этом слиток может иметь жидкую сердцевину.

Обычно на металлургических заводах нагревательные колодцы являются своего рода буфером для сжигания низкокалорийного газообразного топлива (доменный газ, коксодоменная смесь). В этом случае высокая температура в рабочем пространстве достигается путём подогрева воздуха, а в ряде случаев (при сжигании доменного газа) – путём подогрева и газа.

В зависимости от способа нагрева воздуха и газа различают регенеративные (самые давние колодцы) и рекуперативные нагревательные колодцы. Рекуперативные колодцы разделяют на колодцы с центральной и верхней (самые современные конструкции колодцев) горелкой. Преимущества одних колодцев перед другими можно оценивать по капитальным затратам, удобству эксплуатации и компактности расположения в цехе, поскольку характеристики топливоиспользования во всех колодцах близки между собой.

Материальный и тепловой балансы нагревательных колодцев мало отличаются по своей структуре. Отличие связано с величиной статей балансов. Структура этих балансов на примере регенеративного колодца приведена в табл. 9.1 и 9.2.

При составлении теплового баланса обычно не учитываются потери теплоты на аккумуляцию теплоты кладкой, т.к. считается, что слитки металла загружаются в печь, разогретую предыдущей садкой. На самом деле во время загрузки слитков в колодец (при открытой крышке), из колодца уходит значительное количество теплоты и температура кладки снижается. Кстати, эти потери теплоты тоже не учитываются. Поэтому в начальный период работы колодца (М = const) желательно учитывать потери на аккумуляцию кладкой. Если слитки горячего посада имеют жидкую сердцевину, то при составлении теплового баланса нужно учитывать теплоту кристаллизации.

Таблица 9.1 – Ориентировочный материальный баланс процессов в рабочем

пространстве нагревательного колодца (кг/кг нагретого металла)

Таблица 9.2 – Ориентировочный тепловой баланс регенеративного

нагревательного колодца (на 1 кг нагретого металла)

Приход		%	Расход		%
1. Химическая энергия топлива		59, 9	1. Физическая теплота нагретого металла (t = 1230 °С)		30, 3
2. Физическая теплота топлива (t = 850 °С)		20, 1	2. Физическая теплота продуктов горения топлива (t = 1360 °С)		59, 6
3. Физическая теплота воздуха для горения (t = 850 °С)		15, 6	3. Потери теплоты в окружающую среду		8, 0
4. Физическая теплота воздуха для окисления железа (t = 850 °С)		0, 8	4. Физическая теплота азота воздуха от окисления металла (t = 1360 °С)		1, 0
5. Химическая энергия окисления железа		3, 6	5. Физическая теплота окалины на металле (t = 1250 °С)		0, 7
6. Физическая теплота металла (t = 0 °С)			6. Физическая теплота шлака		0, 4
7. Физическая теплота шлака (t = 0 °С)
Итого		100, 0	Итого		100, 0

Шлак удаляется в жидком и сухом виде. Шлак обычного состава переходит в жидкое состояние при температуре 1370-1400 °С. Скрытая теплота шлакообразования составляет около 210 кДж/кг шлака. Эта теплота тоже может быть учтена при составлении теплового баланса.