Изменение режимов нагрева заготовок в секционной печи Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

В.Ю.Рубцов

АО «ЕВРАЗ Нижнетагильский металлургический комбинат»

ИЗМЕНЕНИЕ РЕЖИМОВ НАГРЕВА ЗАГОТОВОК В СЕКЦИОННОЙ ПЕЧИ

Аннотация. Рассмотрены режимы нагрева круглых заготовок различных диаметров в секционной печи, выявлен ряд проблем по нагреву заготовок малого сечения. Предложено мероприятие по улучшению качества нагрева изменением времени нахождения заготовок в зонах печи с использованием позонной регулировки скоростей вращения роликов.

Ключевые слова: секционная печь, заготовка, зона нагрева, температура, режим нагрева, окалинообразование, ролик.

При тепловой обработке металла в нагревательных печах должны решаться две основные задачи:

- соблюдение требований технологии, включая обеспечение заданной производительности и качества нагрева;

- ведение процесса с минимальным угаром и затратами топлива.

Обе задачи взаимосвязаны, многоплановы и касаются вопросов проектирования, строительства, наладки, эксплуатации нагревательных печей и управления ими. Причем первая задача определяющая, без нее невозможно решение второй задачи, поскольку сравниваемые в процессе оптимизации режимы должны обеспечивать одинаковое качество нагрева [1]. Актуализируем данную задачу на примере нагрева заготовок в секционной печи.

Секционная печь, состоящая по длине из конструктивно одинаковых секций, - это проходная нагревательная печь непрерывного действия для нагрева круглых заготовок и труб. В каждой секции располагаются устройства для транспортирования нагреваемой металлопродукции и отбираются продукты сгорания топлива. Транспортируются заготовки или трубы в нагревательных печах с помощью роликов в один или несколько рядов. Ролики печи выполнены профилированными и установлены под углом к оси печи, благодаря чему изделие при движении вращается вокруг своей оси, что позволяет нагревать его равномерно, причем каждое изделие проходит через печь по своему ручью. Для закалочных печей, где требуется более интенсивное вращение заготовки, используется колесный рольганг [2].

В прокатных цехах секционные нагревательные печи конструируются с учетом производительности стана. Расчет печи производится по режимам нагрева заготовки наибольшего сечения, при этом устанавливается количество ручьев, протяженность каждой зоны печи и диапазон регулируемых температур в этих зонах, что определяет конечные конструктивные параметры печи. Учитывая широкий диапазон рабочих профилей прокатных станов, при нагреве в печи заготовок меньшего сечения изменяются режимы нагрева в результате увеличения скорости вращения рольганга и уменьшения расхода топлива для поддержания необходимого теплового баланса печи и оптимального нагрева [3].

При установленных режимах не всегда удается получить необходимый результат и очень часто на заготовках малого сечения, требующих особенно деликатного нагрева, происходит отклонение от заданных параметров, что приводит к ряду нежелательных последствий. Перегрев поверхности заготовки приводит к избыточному образованию окалины, а при не-догреве центра заготовки, что бывает значительно реже, появляется проблема ее прокатки. Для решения данной задачи рассмотрим режимы нагрева заготовок в секционной печи (табл. 1) на примере шаропрокатного стана 40-80 крупносортного цеха АО «ЕВРАЗ-НТМК», выявим проблемы по их нагреву и найдем решения для их устранения.

На стане 40-80 производят мелющие шары диаметром 40, 60, 80 мм из круглого проката соответствующего диаметра и длиной 4 м преимущественно из высокоуглеродистых сталей Ш2Г, Ш3Г.

Рассмотрим режимы нагрева заготовок согласно используемым параметрам для каждого диаметра (табл. 2).

Таблица 1

Параметры секционной печи

Наименование параметра Показатель

Используемый газ, % коксовый 99

природный 1

Производительность, т/ч, для заготовки диаметром 80 мм 6,0

60 мм 4,4

40 мм 2,9

Ручей 2

Ролики с электромеханическим приводом водоохлаждаемые, шт. 26

Длина пода печи в каждой зоне нагрева, м 13

Скорость перемещения, заготовок, м/мин, диаметром 80 мм 1,95

60 мм 2,60

40 мм 3,90

Максимальная температура печи в любой секции, °С 1390

Таблица 2 Температура в печи, °С

Диаметр заготовки, мм Зона

предварительного нагрева выравнивания температур томильная

80 1150 1310 1100

60 1100 1250 1100

40 1050 1200 1100

Прибегая к известной методике [4], принимаем заготовку как массивное тело по критерию Био

В =

аьЯ

(1)

где ( - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м К);

Я - радиус заготовки, м;

¡с - коэффициент теплопроводности, Вт/(мК), при котором он для всех заготовок более 0,25.

Имея температуры внутрипечного пространства каждой зоны и скорость перемещения металла в печи, рассчитаем температурный режим нагрева заготовок с учетом прогрева поверхности

( Я2 л

т =

^ пов

\М2 а у

1п

и Ст.

с м. нач

У

Г Я2 л

и центра

т

цен

кц2а у

1п

(г — г )

с м.пов N о (гс — гм.нач )

~Г—г г

\с 1м.цен /

(2)

(3)

2

где и о, Nо, Л выбираем исходя из критерия Био согласно данным, рассчитанным Г.П.Иванцовым [4]; а - коэффициент температуропроводности, м2/ч; гс, гмнач, гмпов и

^м цен - температура среды, металла до нагрева, после нагрева на поверхности и в центре

заготовки соответственно.

Чтобы установить время нагрева элементарного объема на определенной глубине до необходимых температур преобразуем данные формулы. При глубине, характеризуемой В > 0,25, расчет производим как для объемного тела, а при В^ < 0,25 - как для поверхности. Проинтегрировав выражения 2 и 3 [5] и приняв за переменное значение х - глубину нахождения элементарного объема, получим:

1п

т

и0 с ^м.нач )

(г - г )

ус 1цен /

0,25Яс а

эл. объем 2

м а 0

|(х - Я )2 dx, (4)

1п

N0 (гс гм.нач )

V— )

Я

2

т г, )2

т эл.объем _ 2 ; \х) (лх . (5)

М а 0,254

а

ъ

Воспользовавшись данными формулами, составим сетку температур и представим тем-пературно-временные характеристики нагрева заготовок в виде дифференциальных зон, ограниченных поверхностью и центром заготовки (рисунок).

Графики, изображенные на рисунке, являются теоретическими и могут иметь несколько отклонений от реальных режимов, к примеру, расчет по формулам 4 и 5 не отображает зону фазового превращения, где время нагрева незначительно увеличивается за счет рекристаллизации, при этом они имеют достаточную аппроксимацию, чтобы применять их на практике. Согласно полученным данным, нагревая заготовки диаметром 40 мм в секционной печи при заданных режимах нагрева, полный прогрев заготовки происходит еще в зоне выравнивания температур. После этого заготовка продолжительное время находится в томильной зоне при 1100°С рабочей температуры печи, что вызывает на ней повышенное окалино-образование, которое в дальнейшем отрицательно сказывается на изготавливаемой продукции. При уменьшении температуры томильной зоны ниже заданной будет происходить обратный процесс и прогретая поверхность заготовки начнет отдавать тепло, что также недопустимо, а увеличение скорости протекания всего процесса может привести к нарушению баланса нагрева. Согласно указанным рекомендациям [6, 7], для заготовок малого сечения следует исключить их нахождение в томильной зоне. В силу конструкции секционных печей заготовка не сможет миновать данную зону.

Предлагается ускорить процесс нахождения заготовки в томильной зоне, увеличив скорость вращения роликов. Решением данной задачи может быть установка частотных преобразователей на группы роликов согласно зонам, что позволит регулировать скорость перемещения заготовок самостоятельно для каждой зоны. Отношение частот вращения роликов граничных зон должно находиться в пределах 1,0-1,5, так как уменьшить скорость перемещения заготовки в последующей зоне не удастся в силу непрерывности процесса и контакта с последовательно идущими за ней заготовками, а при увеличении значения более 1,5 будет происходить повышенный износ граничных роликов.

Выводы

1. Был представлен анализ нагрева круглой заготовки разного диаметра на примере нагревательной печи шаропрокатного стана крупносортного цеха АО «ЕВРАЗ-НТМК», ко-

торый показал, что печь оптимизирована под используемую заготовку с максимальным сечением.

2. На основе известной методики расчета были трансформированы формулы для определения времени нагрева элементарного объема на требуемой глубине заготовки до заданной температуры и на их основе представлены характеристики нагрева заготовок диаметром 40, 60 или 80 мм. Согласно характеристикам, наиболее неблагоприятный нагрев происходит на заготовках меньшего диаметра (40 мм), что приводит к их перегреву.

Рис. Режимы нагрева в секционной печи заготовок диаметром 80 (а), 60 (Ь) и 40 (с) мм

3. В качестве решения предложено регулировать не только температуры зон нагрева, но также время нахождения в них заготовки, установив частотные преобразователи на группы роликов и изменив скорость вращения рольганга отдельных зон.

4. Проведён опыт на штучной заготовке диаметром 40 - уменьшено время нахождения её в томильной зоне ускорением рольганга. Мероприятие показало положительный результат как визуальное уменьшение количества образованной окалины при сохранении той же температуры заготовки на выходе из печи.

Библиографический список

1. Соколов А.К. Об оптимальных режимах нагрева металла в газовых печах // Промышленная энергетика. 2014. №4. С. 35-42.

2. ГОСТ 27880-88 Печи газовые секционные для нагрева черных металлов. Удельный расход энергии.

3. Соколов А.К. О влиянии ограничений на выбор оптимальных режимов нагрева металла в секционной печи // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2007. №1. С. 50-55.

4. Соколов К.Н., Коротич И.К. Технология термической обработки и проектирование термических цехов. М.: Металлургия, 1988. 384 с.

5. Rickey V. Frederick, Tuchinsky M. Philip, An Application of Geography to Mathematics: History of the Integral of the Secant // Mathematics Magazine. 1980. V.53. №3. Р. 162-166.

6. Гусовский В. Л., Оркин Л.Г., Тымчак В.М. Методические печи. М.: Металлургия, 1970.

7. Справочник конструктора печей / под ред. В.М.Тымчака. Т.1-2. М.: Металлургия, 1970.

•- INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH -•

V.Y.Rubtsov

EVRAZ Nizhny Tagil Metallurgical Plant

CHANGE OF THE MODE OF HEATING OF WORKPIECE IN THE MULTISTAGE FURNACE

Abstract. Considering the modes of heating of round workpieces of various diameters in the multistage furnace, were revealed a number of problems on heating of workpieces of small cross-section. Were proposed of the measure for improvement of quality of heating with change of time of stay of workpieces in furnace zones, with use of zone adjustment of speeds of rotation of rollers.

Keywords: multistage furnace, billet, zone of heating, temperature, mode of heating, scale formation, roller.