Давление в рабочем пространстве печи

Давление в рабочем пространстве методических печей существенно влияет на их тепловую работу. Оно определяет при прочих равных условиях интенсивность нагрева металла, удельный расход топлива, величину угара и окалинообразования, удобство обслуживания и сохранность агрегата.

Излишне высокое давление ведёт к выбиванию из печи продуктов сгорания, что наряду с ростом тепловых потерь вызывает ускоренный износ внешних конструкций, затрудняет визуальный контроль и обслуживание, загрязняет атмосферу цеха.

Слишком низкое давление обусловливает подсос в печь через рабочие окна и различные неплотности в кладке холодного воздуха, что ведёт к ухудшению использования топлива, увеличению угара и окалинообразования и затрудняет управление процессом горения. Особенно опасен подсос воздуха через окно выдачи, вызывающий неравномерное охлаждение ближайшей заготовки и подстуживание подины. При длительной паузе в работе стана эта заготовка уже не может быть направлена в прокатку, а возвращается на склад.

Наиболее благоприятным в смысле обеспечения наилучшей тепловой работы печи и удобства её обслуживания является небольшое положительное давление во всём рабочем пространстве. Однако создать такой режим работы на современных методических печах практически невозможно. Главная причина – работа горелок, подающих топливо и воздух с большой кинетической энергией. По мере движения вдоль зоны, скорость продуктов сгорания уменьшается, динамический напор переходит в статический, в результате чего давление непрерывно нарастает в направлении окна посада.

Возникающий при этом перепад по длине каждой зоны зависит не только от типа установленных в ней горелок, их положения и направления, но и от конфигурации самой зоны и количества топлива, подаваемого в неё.

Попытки выровнять распределение давления по длине печи уменьшением высоты пережимов, подбором угла установки горелок, изменением направления движения продуктов сгорания в отдельных зонах пока не дали положительных результатов. Различного рода газовые и паровые завесы, применяемые для снижения вредного влияния подсасываемого холодного воздуха и уменьшения выбивания, только дополнительно искажают это распределение.

По высоте печи давление также различно из–за влияния геометрического напора столба продуктов сгорания. Под сводом оно выше, чем на уровне металла, в нижних зонах – минимально, это ведёт к перетокам, обусловливающим взаимовлияние зон и перегрев торцов заготовок.

Периодическое открытие заслонок окна выдачи вызывает дополнительные изменения давления, особенно сильно проявляющиеся в томильной зоне.

При таком многообразии возмущающих факторов и различии их проявлении в различных точках рабочего пространства на современных методических печах имеется лишь один канал управления давлением – изменением тяги. В зависимости от принятой схемы это изменение реализуют путём воздействия на положение поворотного клапана в дымовом борове, или на производительность дымососа, или на режим работы вытяжной трубы.

Однако в любом случае при изменении тяги изменяются только абсолютные значения давления, а не характер его распределения по длине и высоте печи. График распределения перемещается параллельно самому себе, не претерпевая сколь–нибудь существенной деформации.

В таких условиях давление в одной произвольно выбранной точке рабочего пространства может лишь приближённо характеризовать гидравлический режим печи и соответствующую ему тепловую работу. Исходя из этого, выбор импульсной точки в рабочем пространстве осуществляется в соответствии с главной для данной печи задачей – основным требованием к её гидравлическому режиму.

Наиболее распространено требование минимума подсоса холодного воздуха как условие обеспечения приемлемого режима нагрева металла и нормального сжигания топлива. Одновременно накладываются и противоречивое требование – ограничить выбивание продуктов сгорания через окна и неплотности кладки.

Исходя из того, что наиболее вредны подсосы в томильной зоне, импульсную точку располагают под её сводом. Величину давления выбирают так, чтобы с учётом геометрического напора обеспечить небольшое положительное давление на уровне металла.

За счёт инжектирующего действия горелок и геометрического напора, обусловленного низким расположением окна выдачи, исключить подсос холодного воздуха в томильную зону не удаётся. Чтобы уменьшить его вредное влияние, снижают подачу регулируемого воздуха в горелки томильной зоны или устанавливают у окна выдачи газовые завесы, а на печах с машинной выдачей оборудуют окалиносборник мощными горелками, работающими также со сниженным соотношением топливо-воздух. Попытки уменьшить подсосы путём подъёма давления в печи ведут к недопустимому увеличению выбивания. Кроме того, давление в других зонах печи ставится в зависимость от режима работы томильной зоны, что может вызвать нежелательные изменения режима нагрева металла в этих зонах при срабатывании системы регулирования давления в моменты открытия заслонок окна выдачи. Это объясняется тем, что для сварочных зон возмущения по давлению, а, следовательно, и по режиму нагрева металла, вызванные быстрым и значительным перемещением поворотного дымового клапана, заметно превосходят таковые, вызванные только закрытием заслонок.

Другим, также весьма распространённым требованием является обеспечение минимальной длительности пребывания металла в печи. В этом случае режим работы каждой зоны и распределение давления по печи устанавливают таким образом, чтобы обеспечить за счёт оптимального распределения температуры над заготовками максимально допустимую интенсивность нагрева металла и, как следствие, минимальное время пребывания его в печи. Как показали исследования, оптимальный в этом смысле гидравлический режим характеризуется значительным разрежением в томильной зоне и высоким давлением в первых зонах у окна посада. Чтобы уменьшить вредное влияние подсосов и не допустить увеличение угара за счёт избытка кислорода в атмосфере печи, в обязательном порядке устанавливают мощную газовую завесу у окна выдачи, чем одновременно достигается рост производительности печи. Для уменьшения выбивания уплотняют кладку, уменьшают число рабочих окон в первых зонах, а заслонку окна посада поднимают на минимально возможную высоту.

В большинстве случаев ритм работы комплекса печи - стан диктуется ритмом работы стана, поэтому в зависимости от текущей ситуации режимы работы отдельных зон печи и распределение давления вдоль неё должны претерпевать существенные изменения. В этих условиях гидравлический режим должен обеспечить нагрев металла с необходимой интенсивностью при заданной температуре рабочего пространства с минимальными потерями на угар и окалину. Подразумевается, что работа соответствующей локальной системы регулирования исключает колебания соотношения топливо – воздух и связанных с ними дополнительных потерь металла и топлива.

Поддержание оптимального в этом смысле давления в каждой зоне возможно при прочих равных условиях только в том случае, если контролируемая величина характеризует условия нагрева металла в каждой точке печи, отражает только те возмущающие и регулирующие воздействия, которые оказывают существенное воздействие на гидравлический режим и тепловую работу, и обеспечивают возможность направленного воздействия на условия нагрева металла.

Такой величиной, является среднеинтегральное давление на ограждающих стенках томильной зоны, которое с достаточной степенью точности может быть определено как:

P = (p_л + p_п/2)*k_ст + p_в*k_в, Па, (7.1)

где p_л и p_в – давление в середине левой и правой стенок на уровне металла соответственно, Па;

p_в – усреднённое давление у окна выдачи, измеряемое с помощью трёх отборов, установленных на торцовой стенке и подключённых к общему коллектору, Па;

k_ст и k_в – весовые коэффициенты соответствующих давлений.

Допустимость перехода к контролю в конечном числе точек обусловлена тем, что при изменении тяги, а также тепловой нагрузки других зон печи характер распределения давлений по длине и высоте томильной зоны практически не меняется. Меняются только абсолютные значения давлений во всех точках этой зоны, при этом на приблизительно одинаковую величину. Изменение же расхода топлива в томильную зону, то есть режима её работы, приводит к изменению в ней не только абсолютных значений, но и характера распределения давления. Абсолютные значения изменяются тем сильнее, чем дальше точка от окна выдачи, что позволяет при соответствующем выборе мест установки отборов обеспечить практически одинаковый характер изменения давлений – и среднеинтегрального, и определённого.

Связь между среднеинтегральным давлением и интенсивностью нагрева металла при постоянной температуре рабочего пространства имеет экстремальный характер, при этом координата экстремума зависит только от давления и практически не зависит от расхода топлива, а для томильной и конца сварочной зон – и от температуры металла. Следовательно, изменяя определённым образом давление, можно интенсифицировать нагрев металла в требуемой области, одновременно замедляя нагрев в остальных. Так, снижение среднеинтегрального давления смещает область интенсивности нагрева к началу печи. Замедление нагрева в других областях будет тем значительней, чем ближе эти области находятся к окну выдачи. Отсюда вытекает практическая рекомендация: если в процессе работы печи возник большой перепад температур металла по длине сварочной зоны и его необходимо устранить путём интенсификации нагрева в начале зоны, то этого можно достичь путём снижения среднеинтегрального давления. Однако это будет сопровождаться увеличением подсосов и снижением коэффициента использования топлива в томильной зоне.

Если ставится задача: поддержание максимальной при данном расходе топлива температуры рабочего пространства в выбранной зоне печи, то величину среднеинтегрального давления следует выбирать с учётом расхода топлива в томильную зону и верхнюю сварочную зону.

Увеличение угара, возникающего при снижении тепловой нагрузки печи, можно избежать изменением среднеинтегрального давления. Некоторое увеличение этого давления не только приведёт к уменьшению количества подсасываемого воздуха и снижению окислительной способности атмосферы печи, но и одновременно переместит область интенсивности нагрева, что обеспечит целесообразное изменение температурного профиля нагреваемого металла.

Из изложенного ясно, что для обеспечения оптимального гидравлического режима необходимо непрерывно изменять величину поддерживаемого среднеинтегрального давления в зависимости от поставленной задачи и текущей ситуации.

Однако, как показали исследования, выполненные на пятизонной методической печи, ее тепловую работу достаточно точно характеризует и давление в импульсной точке, расположенной под наклонным участком свода последней по ходу металла верхней сварочной зоны.

При увеличении расхода топлива в верхние сварочные зоны с целью ускорения в них нагрева металла давление в указанной точке возрастает. Возвращение его в исходное состояние эквивалентно снижению среднеинтегрального давления, обеспечивающему, как указано выше, перенос участка интенсивности нагрева к началу печи – в сварочные зоны.

При изменении режима работы томильной зоны давление в сварочной меняется мало, в результате чего режим работы других зон остаётся практически прежним. Значительное же изменение среднеинтегрального давления, связанное с изменением расхода в томильную зону, в этом случае сказывается только на режиме нагрева металла в самой томильной зоне – в требуемой области печи.

Открытие заслонок окна выдачи сопровождается снижением давления в указанной импульсной точке при любых расходах топлива во всех зонах печи, в том числе и в томильной. Однако величина этого снижения значительно меньше, чем снижении среднеинтегрального давления или давления в импульсной точке под сводом томильной зоны, что обеспечивает более спокойный режим работы систем регулирования.

При снижении тепловой нагрузки печи давление под сводом сварочной зоны снижается. Его восстановление приводит к уменьшению подсосов и переносу области интенсивного нагрева.

Таким образом, стабилизация давления в указанной импульсной точке обеспечивает в значительной мере автоматическое возвращение гидравлического режима печи к его достижимому оптимальному состоянию практически при всех видах возмущений.

Рассмотрим особенности управления гидравлическим режимом печи.

В процессе работы методической печи её гидравлический режим подвергается непрерывным возмущающим воздействиям, что при отсутствии эффективной системы регулирования давления в рабочем пространстве может приводить к колебаниям коэффициента расхода воздуха, повышению удельных расходов топлива и угара металла

Качество работы системы регулирования зависит от представительной точки контроля, правильности подключения датчика, типа регулятора и его настройки, скорости перемещения и характеристики регулирующего органа.

При подключении датчика необходимо учитывать, что абсолютная величина измеряемого давления невелика 20 – 50 Па, а протяжённость импульсной линии значительна, причём имеется возможность различного нагрева её на отдельных участках. Уровни установки отбора и датчика также могут сильно различаться. В результате неизбежно возникновение геометрического напора, соизмеримого по величине с измеряемым давлением. Чтобы избежать погрешностей, прокладывают рядом с импульсной компенсационную линию, подключая её ко второй камере дифманометра.

При выборе типа регулятора необходимо исходить из динамических характеристик печи и аппаратуры измерения давления. Как показали результаты исследований, поведение такой системы описывается дифференциальным уравнением второго порядка, коэффициенты которого определяются главным образом динамическими свойствами аппаратуры измерения. Наиболее хорошее качество регулирования получается при применении И- и ПИ-регуляторов.

Наличие люфтов в сочленениях исполнительного механизма с регулирующим органом существенно ухудшает показатели качества регулирования. Значительное влияние на качество регулирования оказывают нелинейность самого клапана и её зависимость от тепловой нагрузки печи.

Наиболее частые и глубокие возмущения гидравлического режима вызывает открытие заслонок окна выдачи. В силу динамических характеристик аппаратуры контроля и невозможности мгновенного перемещения регулирующего органа избежать изменения давления при этих возмущениях с помощью обычной системы регулирования не удаётся. Попытки уменьшить возникающие отклонения путём подачи в систему опережающего импульса, вызывающего поворот дымового клапана одновременно с открытием заслонок или с очень малым запаздыванием, пока не привели к положительным результатам, так как и величина импульса, и время опережения зависят от текущего значения тепловой нагрузки. Кроме того, скорость перемещения регулирующего органа ограничена. Не дали положительного результата и попытки подавать в систему опережающий импульс при изменениях тепловой нагрузки.

Сопоставление результатов переходных процессов изменения давления в рабочем пространстве под сводом томильной зоны, связанного с открытием и закрытием заслонок, полученных при включенной и выключенной системе регулирования, показывает, что регулировать давление в этот промежуток времени нецелесообразно.

Достаточно простая и эффективная система регулирования давления в рабочем пространстве печи может базироваться на импульсе, получаемом с помощью двух отборов, подключённых к общему коллектору и расположенных под сводом последней по ходу металла сварочной зоны на расстоянии половины её длины от фронта горелок и четверти ширины от боковых стенок. Задание регулятору остаётся постоянным в широком диапазоне изменений тепловой нагрузки и только при необходимости значительно интенсифицировать нагрев металла в начале печи в условиях ограничения по расходу топлива задание регулятору несколько снижается.

На время открытия – закрытия заслонок окна выдачи система регулирования давления блокируется. Одновременно подаётся сигнал на изменение задания системе регулирования соотношения топливо – воздух томильной зоны или на интенсификацию работы горелок окалиносборника, чем уменьшается вредное влияние подсосанного за время открытия заслонок наружного воздуха.

По сигналу от датчика общего расхода топлива на печь или от указателя положения поворотного дымового клапана ступенчато изменяется общее сопротивление дымового тракта, чем достигается практически постоянное качество переходного процесса при различных тепловых нагрузках за счёт обеспечения работы клапана на сравнительно узком и достаточно линейном участке его характеристики.

Дата добавления: 2015-03-29