Регенеративный нагревательный колодец – нагревательный колодец, в котором подогрев газа и воздуха происходит в регенераторах. Схема этого колодца приведена на рис. 6.2. Рабочее пространство имеет длину 3-6 м, ширину – около 2 м и глубину – 3-3,5 м. Масса садки около 45-80 тонн. Слитки располагаются по длине колодца вдоль стен. Колодец работает с реверсивным движением факела.
Регенеративные теплообменники представляют из себя камеры, заполненные огнеупорными кирпичами в определённом порядке. Система укладки кирпичей называется насадкой
(решёткой). Чаще всего используются насадки Каупера и Сименса (рис. 6.3).
В насадке Сименса идёт чередование под прямым углом параллельных рядов кирпича. Между кирпичами и под кирпичами остаются проходы для газов. При закупорке одного из вертикальных каналов шлаковыми отложениями нижняя часть насадки продолжает работать. Это достоинство насадки Сименса. Одновременно с этим насадка имеет высокий коэффициент теплоотдачи и склонность к перегреву и оплавлению кирпича при насыщении его окислами железа.
В насадке Каупера (рис. 6.3 а) поверхность нагрева представляет собой сплошные вертикальные каналы с более низким коэффициентом теплоотдачи и с меньшей поверхностью теплообмена. Насадка Каупера более надёжна при высоких температурах, т.к. медленнее нагревается и имеет повышенную строительную прочность. Поэтому насадку Каупера используют для верхних рядов, а насадку Сименса – для средних и нижних рядов.
Принцип работы колодца следующий. Слитки холодного или горячего посада помещаются с помощью клещевого крана вдоль стенок рабочего пространства нагретой ячейки. Через одну из пар регенераторов (например, правую) подаётся воздух и газ, которые несколько перемешиваются в надрегенераторном пространстве и образуют факел в объёме ячейки. Горячие газы (дым) уходят в левую пару регенераторов, подогревая их. После достижения верхними рядами регенеративной насадки предельной температуры (примерно через 15-30 минут) происходит перекидка газового и воздушного клапанов. В результате газ и воздух будут проходить через левые регенераторы и там нагреваться. Дымовые газы будут нагревать правую пару регенераторов. Через те же 15-30 минут снова произойдёт перекидка клапанов и цикл повторится. Время между перекидками клапанов влияет на расход топлива. С одной стороны, при коротких интервалах снижается температура дыма после регенератора и, соответственно, снижается расход топлива. С другой стороны, при коротких интервалах, увеличивается непроизводительный расход топлива, которое заполняет насадку газового регенератора перед перекидкой и вытесняется встречным потоком дыма в дымовую трубу.
После того как садка слитков нагреется до нужной температуры, слитки поштучно извлекают и отправляют на обжимной стан. Время нагрева металла зависит от начальной температуры слитков, размеров их сечения и составляет при холодном посаде обычных слитков 6-7 часов.
Температура нагрева слитков колеблется в зависимости от марки стали в пределах 1200-1350 °С. Максимальная температура дыма на входе в регенератор 1400-1450 °С, на выходе – 500-600 °С. Максимальная температура подогрева воздуха и газа 900-1000 °С.
Для изменения направления дыма, факела (реверс факела) посредством изменения направления потоков газа и воздуха служат перекидные (переводные) устройства: для газа – герметичный клапан золотникового типа (клапан Фортера), показанный на рис. 6.2, а для воздуха – негерметичный клапан мотылькового типа (клапан «симплекс»). В клапане Фортера герметичность достигается применением водяных затворов. Клапаны подсоединены к регенераторам колодца посредством системы дымоходов. К каждому клапану от регенераторов подходят два дымохода (левый и правый), расположенные под регенераторами в два этажа (рис. 6.2). Между этими каналами на входе в клапан расположен центральный канал, связанный с дымовой трубой системой дымоходов.
Рассмотрим работу клапанов. Пусть, как показано на схеме рис. 6.2, в правые регенераторы поступают газ и воздух. Для этого золотник клапана Фортера и мотылек клапана «симплекс» перекрывают центральный и правый каналы в клапанах. По нижним дымоходам из левых регенераторов поступает дым в правый канал, а затем после разворота на 90 ° – в центральный канал. В период перекидки золотник и мотылек меняют свое положение. Теперь газ и воздух поступают в правые каналы клапанов и направляются для нагрева в левые регенераторы. Дым из правых регенераторов по верхним дымоходам поступает в левые каналы клапанов, а затем после разворота в центральный дымоход. Таким образом, в центральные каналы всё время поступает дым из регенераторов.
Дым из центрального канала направляется на дымовую трубу по следующей схеме. Сначала дым от каждой ячейки поступает в сборный дымоход для двух ячеек. Аналогично свой дымоход имеют и две другие ячейки. В общий дымоход перед дымовой трубой поступает дым от 4 ячеек через два сборных дымохода.
В дымоходе для каждой ячейки и в общем дымоходе для 4 ячеек установлены шиберы для регулировки тяги дымовой трубы. На группу из 4 ячеек установлен один вентилятор для подачи воздуха. В каждом воздухопроводе, идущем к клапану «симплекс», установлена поворотная заслонка.
Факел в регенеративном колодце находится достаточно близко к подине и обеспечивает температуру подины около 1370 °С, что является пороговым значением для перевода шлака в жидкое состояние. Шлак состоит из окалины, осколков футеровки и некоторых легкоплавких соединений, остающихся в прибыльной части слитка после его разливки и охлаждения. Через шлаковую лётку шлак удаляется с подины непрерывно, а также периодически при специальном нагреве пустого колодца.
Удельный расход условного топлива зависит от среднемассовой температуры слитков в садке. При холодном посаде расход топлива около 55-65 кг у.т./т, а при горячем (700-800 °С) посаде – от 20 до 40 кг у.т./т стали. С учётом затрат топлива на разогрев кладки после холодного ремонта, на простои, а также в зависимости от доли слитков горячего посада и их начальной температуры расход топлива на различных заводах изменяется от 35 до 45 кг у.т./т стали.
Для снижения расхода топлива можно рекомендовать следующее:
- нагрев в колодце слитков с не полностью затвердевшей сердцевиной. Это приводит к повышению начальной среднемассовой температуры слитков и сокращению длительности нагрева;
- использование дутья, обогащённого кислородом. Это приводит к сокращению расхода дыма и, соответственно, к уменьшению потерь теплоты с уходящими газами;
- удлинение ячеек колодца с 4-4,5 м до 7-8 метров. Это приводит к увеличению производительности колодца и, при определенных условиях, – к небольшому снижению удельного расхода топлива;
- улучшение перемешивания воздуха и газа с целью недопущения догорания топлива в регенераторах. Для этого необходимо совершенствовать верхнее строение насадок газового и воздушного регенераторов;
- замена кирпичной насадки шариковой, имеющей большую поверхность теплообмена на единицу объёма. Для повышения стойкости шариковой насадки в верхней части регенератора она должна выполняться из химически нейтрального материала с высокой огнеупорностью, типа корунда. Это позволит уменьшить объем насадки или сократить расход топлива за счет более глубокой утилизации теплоты дыма. Кроме того, облегчается замена насадки при ремонтах. Неизбежное при этом увеличение потерь давления компенсируется установкой дополнительных компрессорных и дутьевых устройств.
