УДК 621.783.232.223.245
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ СТАНОВ ГОРЯЧЕЙ ПРОКАТКИ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ПРОВЕДЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
© Епишин Алексей Владимирович1, e-mail: alexey_iz_misis@mail.ru; Асатурян Ирина Георгиевна2, e-mail: service@vsw-service.ru;
Беленький Анатолий Матвеевич1, д-р техн. наук, проф., e-mail: energomet@misis.ru; Бурсин Александр Николаевич3, e-mail: energomet@misis.ru; Улановский Анатолий Александрович3, e-mail: director@obninsk.com
1 Научно-исследовательский технологический университет «МИСиС». Россия, Москва
2 ОАО «Выксунский металлургический завод». Россия, г. Выкса
3 ООО «Обнинская термоэлектрическая компания». Россия, Калужская обл., г. Обнинск Статья поступила 25.09.2013 г.
Приведены данные исследований нагрева металла в нагревательных печах проходного типа для заготовок разного типа. Приведены примеры использования различных инструментов для проведения анализа тепловой работы печи, полученных после проведения промышленных экспериментов. Результаты представлены в виде графиков и таблицы.
Ключевые слова: энергоэффективность; нагревательные печи; стан горячей прокатки; промышленный эксперимент.
В настоящее время в прокатных цехах используются сложные высокопроизводительные агрегаты. Они включают в себя не только прокатные станы, но и не менее важные печные агрегаты (ПА). Для обеспечения заданной производительности стана и получения качественного металла на выходе ПА должны удовлетворять следующим основным требованиям: определенная разность температур по всей массе заготовки (обычно не более 20 °С) и общий уровень температуры около 1200-1250 °С. Для достижения таких параметров ПА должен быть спроектирован с учетом конкретного технологического процесса. Для того чтобы получить реальную картину тепловой работы печи, выявить ее недостатки, ускорить пусконаладочные работы, снизить удельные расходы топлива, целесообразно проводить промышленный эксперимент [1].
В данной работе приведены результаты комплексного исследования различных печей прокатных станов: кольцевой, туннельной, с шагающим подом, с шагающими балками. Заготовки также различаются по габаритам и массивности: от 150x150x11 950 мм до 1985x310x3775 мм и от 0,5 до 10 т. Для автономного измерения температуры использовали надежный и точный способ контроля температурного режима нагрева заготовки в печи с помощью программного комплекса для проведения теплотехнических обследований
нагревательных печей на базе автономного регистратора температуры (АРТ) типа Phoenix TM в защитном кожухе [2, 3]. Конструкции тепловой защиты АРТ для каждой печи изготавливали индивидуально, учитывая габариты входных и выходных окон, размеры заготовки и время нагрева. Всего на станах горячей прокатки металлургических предприятий РФ за период 2000-2012 гг. выполнено более 50 исследований с помощью систем АРТ различных типов [4]. Практически на всех печах не были достигнуты декларированные поставщиками величины перепадов температуры в нагретой заготовке перед выдачей из печи. Также часто наблюдается несоответствие рассчитанной по математической модели температуры металла реальному ее значению. Причем возможен режим нагрева с абсолютно противоположными параметрами (например, быстрее греется не верхняя, а нижняя поверхность сляба), либо характер изменения температуры массивной заготовки, следующий из расчетов по математической модели, практически не осуществляется в реальности.
Комплексный промышленный эксперимент обеспечивает персонал печей уникальной информацией. После удачного эксперимента для анализа имеется около 30 000-50 000 значений температуры во времени в различных точках заготовки, причем не только ее поверхности, но и
1200 1100 1000 У 900 я 800
^ 700 & 600 ё 500 I 400 Н 300 200 100
I 1136
1210 1190
I 970 ---Г*
I ^ I I
Я
X
X
180
160
U 140
| 120
Й 100 Ср
в 80
S
£ 60 40 20
• Левое сечение Центральное сечение Правое сечение
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 Время, мин
Рис. 1. Температура заготовки и атмосферы в рабочем пространстве печи при движении заготовки (указаны границы температурных зон): 2, 5, 8,10 - термопары
на разной глубине от поверхности нагреваемого металла. Вся эта огромная масса данных позволяет не только построить график нагрева металла, сравнить его с заданным по технологии, но и обнаружить значительные недостатки или резервы ПА, предпринять своевременные меры по корректировке режима функционирования агрегата, а также разработать меры совершенствования тепловой работы и конструкции печи.
На рис. 1 приведены графики температуры в процессе нагрева заготовки размерами 150x150x11 950 мм в методической однорядной печи с шагающим подом на стане 450. Эксперимент осуществлялся в режиме нормальной промышленной эксплуатации агрегата.
На первый взгляд может показаться, что нагрев производится довольно качественно. Однако анализ процесса по каждой кривой обнаруживает много отклонений от заданного режима. На рис. 2 показан максимальный перепад температуры по сечениям заготовки. Термопары 2, 5 и 8 заделывали на глубине 125 мм, они соответствуют левому, центральному и правому (по ходу движения в печи) сечениям заготовки. Из этого графика следует, что нагрев осуществляется недостаточно качественно, несмотря на небольшое сечение заготовки (150x150 мм). Томильная зона не обеспечивает выравнивания температуры по толщине заготовки. Значительная разность температур по толщине металла перед его выдачей из печи приводит к повышенному износу валков и увеличивает риск выхода из строя прокатного оборудования.
При проведении эксперимента учитываются не только показания проходящего через печь АРТ, но и остального оборудования, участвующего в технологическом процессе нагрева металла. В этой производственной линии после печи пе-
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 Время, мин
Рис. 2. Максимальный перепад температур по сечениям заготовки
1030
1020
1010
я 1000 ср
.и 990 Н
980
970
1 \ X .
• Ч \ i ' / ; /
\ \ \ч-----v '-ч ' -J*'
\\х ///
\ \ v.' \ / /•
v. \ \
-w
.15,44-15,54 . 16,29-16,39
. 16,57-17,07 .17,08-17,18
. 17,29-17,39 Усредненное значение
Рис. 3. Изменение температуры поверхности заготовки по длине (в эксперименте проверены 110 заготовок)
ред станом установлен пирометр, измеряющим температуру поверхности заготовки в 16 точках. Несложный анализ данных эксперимента позволил установить некую закономерность изменения процесса нагрева заготовок по длине в течение 2 ч (рис. 3). Полученные данные свидетельствуют о том, что заготовка в печи греется неравномерно - температура ее средней части может отличаться от более нагретых переднего и заднего концов на 25-35 °С. Видно, что в процессе прокатки температура заготовок постепенно снижается, хотя температура в зонах печи регуляторами поддерживается постоянной. Этот факт подтверждает вывод о том, что зональные термопары недостаточно точно отслеживают реальную температуру в печи, и необходимо режим нагрева корректировать на основе показаний пирометра, установленного на стане, что в настоящее время не производится.
Впервые в отечественной и европейской металлургической практике были также проведены исследования в туннельной печи после МНЛЗ литейно-прокатного комплекса (ЛПК).
и
1220 I 1200 н 1180
CU
« 1160 &
& 1140-
g 1120-S
^ 1100, 5 7
и 1210
11901170-
I
1150-
11301110,
Время, мин
Рис. 4. Изменение температуры поверхности в четырех точках по ширине полосы в экспериментах 1 (а) и 2 (б) на ЛПК
На рис. 4 показано изменение температуры поверхности сляба в четырех точках в первом и втором экспериментах, измеренной с помощью контактных термоэлектрических термометров (КТТ). Сложность этого эксперимента состояла в необходимости установки АРТ на непрерывно движущийся после МНЛЗ горячий металл, а также очень небольшая высота расположения над слябом входного и выходного окон для беспрепятственного прохождения АРТ через печь. Неблагоприятные результаты первого эксперимента были учтены, и после капитального ремонта удалось достичь улучшения теплового состояния печи, что подтверждается достижением заданной температуры металла при меньших значениях зональной температуры. Также был обнаружен значительный недостаток в системе контроля температуры поверхности металла в существующей АСУ ТП печи. Измерения ведутся
с помощью трех пирометров, установленных по длине печи, без учета фонового излучения кладки. Был разработан специальный алгоритм, позволивший минимизировать ошибку измерения температуры поверхности металла. Значения измеренной температуры и погрешности штатных пирометров SOLO SN21, зонального термоэлектрического термометра (ЗТТ), контактного термоэлектрического термометра (КТТ) приведены в таблице.
Не менее интересен и уникален эксперимент по определению реального температурного режима нагрева колесной заготовки, осуществляемого последовательно в двух кольцевых нагревательных печах (КНП). Выполнено два эксперимента, причем в результате анализа данных первого были разработаны рекомендации, которые успешно применили для изменения заданий зональным регуляторам печи. Изменение зональной температуры КНП-1 и КНП-2 привело к уменьшению перепада температуры по заготовке на выдаче из КНП-2 с 39 (эксперимент 1) до 24 °С (эксперимент 2), к уменьшению перегрева металла в ходе технологического процесса с 1284 до 1279 °С и сокращению расхода природного газа. Экономия природного газа составила 256,83 м3/ч. Снижение перегрева металла уменьшает затраты топлива, сокращает количество образующейся окалины и повышает качество готового металла.
Один из наиболее сложных режимов нагрева - нагрев массивных заготовок для стана 5000. Были исследованы условия нагрева в двух аналогичных печах с шагающими балками. В обоих экспериментах сляб не был нагрет до параметров, необходимых по технологии и гарантированных поставщиком печей. Заданные по математиче-
Значения температуры, определяемой с помощью трех пирометров, и их погрешности
Эксперимент 1 Эксперимент 2
Показатели пирометр № 2 пирометр № 3 пирометр № 2
Тми металла (SOLO SN21), °C
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.