Направления повышения энергоэффективности нагревательных печей станов горячей прокатки

Технологический процесс нагрева, оптимальный в энергетическом и экологическом отношении, и обеспечивающий при этом получение заданного качества нагрева (необходимая температура поверхности и регламентированный перепад температур по сечению заготовки), достаточно трудно обеспечить вследствие того, что важнейший параметр процесса, а именно, состояние нагрева металла, не может быть измерено непосредственно и непрерывно. Для управления режимом нагрева используются показания зональных термопар печи. Эти измерения – фактически, какая-то средняя температура, которая зависит от сложного теплообмена между кладкой, продуктами сгорания и металлом и не достаточно точно отслеживает температуру сляба в печи. Чтобы добиться высокой воспроизводимости процесса управления нагревом, необходимо знать реальное изменение температуры металла (температуры поверхности и распределение температур по сечению) в зависимости от размеров металла, его теплофизических характеристик, темпа прокатки, состояния печи, совершенства процессов сжигания топлива, теплового состояния печного агрегата.

Для проведения многократного оперативного изучения температурного режима нагрева металла разработана методика и создан аппаратно-программный комплекс автономной регистрации и анализа температурных режимов работы печи на базе аппаратуры, поставляемой фирмой «Phoenix TM». Система включает специальный теплозащитный контейнер, набор термопар, автономный регистратор данных, систему передачи данных по радиотелеметрическому каналу и компьютерный интерфейс, которые позволяют получить и отобразить значения реального профиля температур внутри печи, распределение температуры по сечению заготовки в процессе её нагрева. Система мониторинга устанавливается на заготовку, в которой предварительно выполняются отверстия для монтажа в них 9-ти гибких кабельных термопар. Рабочий спай 10-ой термопары располагается над поверхностью экспериментальной заготовки и измеряет температуру рабочего пространства печи над металлом. За кривыми изменения поля температур в заготовке можно следить на дисплее компьютера, установленного в помещении оперативного персонала, в темпе с процессом (режим «on-line»).

Одновременно осуществляется контроль и регистрация остальных параметров работы печи, включая расходы топлива и воздуха, температуры по зонам печи, давление в печи, состав продуктов сгорания в отдельных точках печного агрегата, температуры металла в процессе прокатки на стане и т.д. Вся информация обрабатывается и анализируется, разрабатываются рекомендации по совершенствованию работы печи, которые после рассмотрения и утверждения работниками цеха, проверяются на печном агрегате и внедряются в производственную практику.

Обследование на колёсопрокатном стане ОАО «ВМЗ» позволило разработать и внедрить усовершенствованный режим нагрева на кольцевых печах, который обеспечил получение экономии природного газа - до 10 % (~257) м3/ч. На нагревательных печах стана 2000 ОАО «НЛМК» в 2013 г. получена экономия топлива до 4-5 % при повышении равномерности нагрева сляба на 12 %.

Имеются значительные достижения в конструкции современных нагревательных печей: огнеупорный бетон в качестве футеровки, тепловая износостойкая защита водоохлаждаемых глиссажных труб и балок, высокотемпературная керамоволокнистая изоляция стен и свода, различного типа горелки, плоский свод, установка на печах только боковых горелок, разветвлённая информационная система с достаточно современной АСУ ТП и т.п.

Промышленные исследования печей станов горячей прокатки основных металлургических предприятий РФ, как отечественных, так и зарубежных (достаточно современных и построенных в течение последних 8-10 лет), показали, что имеются значительные недостатки в их функционировании.

Практически на всех агрегатах не выдерживаются параметры готового металла – имеется значительный перепад температур по толщине и по длине сляба.

Даже одинаковые по конструкции печи одного и того же стана отличаются по тепловому и температурному режиму нагрева металла, иногда достаточно радикально. ВМЗ печь №1 более интенсивно греется сторона сляба около стены с горелками, печь № 2 – более интенсивно греется сторона сляба, находящаяся в середине печи.

Математические модели недостаточно точно оценивают ситуацию нагрева, имеются достаточно принципиальные расхождения. Так, например, по ММ интенсивнее греется верхняя поверхность сляба на самом деле нижняя.

Проведенные комплексные исследования позволили констатировать, что существующие нагревательные печи станов горячей прокатки, как отечественного, так и зарубежного производства, имеют ряд принципиальных недостатков:

• невозможность обеспечения высокой равномерности прогрева металла, так как на нижней поверхности сляба остаются недостаточно прогретые места – «тёмные пятна», являющиеся следствием воздействия водоохлаждаемых элементов транспортирующей системы печи;
• несимметричность температурного поля сляба по толщине вследствие разных условий нагрева сляба сверху и снизу: сляб греется быстрее либо сверху, либо снизу (по нашему опыту практически на всех предприятиях считают, что быстрее сляб греется сверху), причём определить реальный характер нагрева и исключить данный недостаток конструкции практически невозможно;
• неравномерность температурного поля сляба по длине вследствие разных условий нагрева металла по ширине печи, достигающей 8 – 12 метров;
• значительные удельные расходы топлива на нагрев металла, так как необходимо затрачивать тепло на весьма обширную водоохлаждаемую систему транспортировки металла в печи;
• математические модели не обеспечивают адекватного описания происходящих процессов нагрева металла, что приводит к получению металла пониженного качества, разнотолщинного готового листового проката, с увеличенными затратами топлива, повышенными выбросами оксидов азота, СО₂;
• значительные потери тепла при открывании окон посада и выдачи;
• достаточно большие потери металла с окалиной вследствие длительного пребывания металла в печи, особенно это относится к станам 5000, на которых ведётся прокатка слябов толщиной до 400 мм;
• отсутствие управления по реальной температуре металла, что приводит к тому, что существующие математические модели недостаточно адаптированы к реальным условиям нагрева металла.