Modelowanie przepływu ciepła w piecu pokrocznym

Nagrzewanie wsadu przed przeróbką plastyczną jest jednym z istotnych etapów wytwarzania produktu finalnego w postaci wyrobów walcowanych. Celem zapewnienia prawidłowej pracy ciągu technologicznego konieczne jest osiągniecie przez wsad wymaganej temperatury w całej objętości oraz zapewnienie odpowiedniej równomierności nagrzewania przy moŜliwie niskim koszcie. Na wydajność pieca moŜna wpłynąć między innymi przez prawidłowe określenie czasu nagrzewania oraz zmiany temperatury w przestrzeni roboczej pieca. Rozkład temperatury w przestrzeni pieca jest limitowany cechami konstrukcyjnymi pieca, kształtem i wymiarami wsadu oraz właściwościami fizycznymi nagrzewanego materiału. Niewłaściwe dobrane parametry nagrzewania mogą spowodować nieprawidłowe nagrzewanie wsadu, zakłócenie pracy pieca lub zwiększyć czas nagrzewania, co jest równoznaczne ze wzrostem wskaźników zuŜycia energii i gazu słuŜącego do opalania pieca oraz wpływają na zmniejszenie wydajności pieca. Zatem określenie krzywej nagrzewania i czasu nagrzewania stanowi istotny element technologii umoŜliwiający nadanie końcowemu produktowi wymaganej jakości, przy minimalizacji kosztów wytwarzania [3,8]. W nagrzewanym wsadzie powstają napręŜenia cieplne wywołane nierównomiernym rozkładem temperatury i przemianami fazowymi. W przypadku przekroczenia granicznej odkształcalności materiału prowadzą one do lokalnych pęknięć, co skutkuje pęknięciem nagrzewanego wsadu i w konsekwencji powoduje to uszkodzenie powierzchni roboczej beczki walców. Te niekorzystne zjawiska oprócz start walców, skutkują nieplanowanym postojem walcowni na przebudowę walców, co powoduje powstanie znacznych strat mediów potrzebnych do wytworzenia wyrobu finalnego, a ponadto w znaczącym stopniu zakłóca proces planowania produkcji.

2.3.1. Budowa i zasada działania pieców pokrocznych

Piec grzewczy jest urządzeniem, w którym wsad metalowy podlega Ŝądanym zmianom temperatury w odpowiednim okresie czasu tak, aby metal osiągnął wymagane właściwości technologiczne. Dla procesów grzewczych istotne jest nie tylko osiągniecie przez wsad

Ŝądanej temperatury, lecz takŜe odpowiedni przebieg zmiany temperatury w czasie

i w przestrzeni komory roboczej oraz wytworzenie w niej Ŝądanego składu chemicznego gazów, czyli tzw. atmosfery piecowej.

Walcownia gorąca taśm Huty ArcelorMittal Poland odział w Krakowie do nagrzewania wsadu wykorzystuje piec pokroczny. W piecu takim nagrzewany wsad porusza się ruchem skokowym od strony wsadowej do wyładowczej, przenoszony ruchomą częścią trzonu. Piece te pracują w sposób ciągły. Wsad do nagrzewania ładuje się do pieca w sposób osiowy, układając go na nieruchomych częściach trzonu. Część ruchoma trzonu podnosząc się do góry zabiera wsad i przesuwa w kierunku okna wyładowczego, a następnie opuszczając się w dół kładzie znowu na części nieruchomej. Następnie dołem wraca do pierwotnego połoŜenia i cykl zaczyna się od nowa. Ciepło spalin uchodzących z przestrzeni roboczej pieca wykorzystywane jest do podgrzewania czynników płynących do spalania. Schemat zasilania mediami pieca pokrocznego przedstawiono na rysunku 2.12. Piec grzewczy pokroczny opalany jest gazem ziemnym, o zdolności produkcyjnej 450 Mg/h. Maksymalna temperatura nagrzewania 1250±10 ^oC. Szerokość robocza pieca wynosi 11 m, natomiast długość robocza 58,6 m. Zasilanie gazem odbywa się w ilości 19100 Nm³/h, przy zuŜyciu ciepła ok. 1,25 GJ/Mg stali. Piec ma automatyczny system sterowania z 12 belkami stałymi i 11 ruchomymi [33].

Rys. 2.12. Piec pokroczny - zasilanie mediami [33]

Piec pokroczny umoŜliwia równomierne nagrzewanie wsadu poprzez automatyczne prowadzenie procesu nagrzewania z kontrolą spalin, ciągłą rejestracją temperatur nagrzewania, temperaturę wyjścia wlewka z pieca oraz precyzyjną identyfikacją materiału. Doprowadzenie ciepła realizowane jest przez palniki usytuowane w czołowej ścianie pieca bezpośrednio ponad trzonem. Regulacja temperatury pieca odbywa się w strefach w systemie ciągłym. Zapalanie palników, kontrola płomienia, sterowanie dopływem gazu i powietrza odbywa się automatycznie w kaŜdej ze stref. Gaz doprowadzany jest do palników z sieci zakładowej, a powietrze spalania za pomocą wentylatora. Regulacja ciśnienia w piecu odbywa się automatycznie. Piec posiada kilka stref cieplnych, które przedstawia tablica 2.3.

Tablica 2.3. Pojemność cieplna stref pieca pokrocznego walcowni gorącej taśm

w Hucie ArcelorMittal Poland oddział w Krakowie [33]

W skład kaŜdej strefy wchodzi kilka palników pracujących z wykorzystaniem gorącego powietrza podgrzanego w centralnym rekuperatorze. Wszystkie palniki wyposaŜone są w zespół urządzeń zabezpieczających i regulujących. Gaz z sieci zakładowej redukowany jest do odpowiedniego poziomu w stacji stabilizacji ciśnienia i następnie kierowany poprzez zespół zaworów elektromagnetycznych do kolektora zbiorczego umieszczonego na piecu, a stamtąd do palników. Walcownia posiada redukcyjne stacje gazowe wyposaŜone w systemy zabezpieczeń, które działają automatycznie i odcinają dopływ gazu w przypadku zaniku energii elektrycznej, powietrza spalania, gazu oraz w przypadku nadmiernego wzrostu ciśnienia gazu. Ponadto, stacje wyposaŜone są w układ kontroli szczelności instalacji gazowej. Dodatkowo, kaŜdy palnik posiada niezawodny układ kontroli płomienia oraz układ kontroli przepływu powietrza spalania. Parametry nagrzewania, walcowania i chłodzenia materiału są tak dobrane dla gatunku stali, aby gwarantowały uzyskanie Ŝądanych właściwości mechanicznych i technologicznych danego wyrobu [9].

Palnik Numer

strefy ^{Umiejscowienie} Typ Liczba

Strefa ciepło doprowadzone, kJ/h Strefa ciepło doprowadzone, kJ/h 1 Wstępnego grzania Boczny 14 1 800 000 25 200 000 2 Górna, pierwszego grzania Boczny 6 2 400 000 14 400 000 3 Dolna, pierwszego grzania Boczny 6 3 000 000 18 000 000 4 Górna, drugiego grzania Boczny 8 2 400 000 19 200 000 5 Dolna, drugiego grzania Boczny 8 3 000 000 24 000 000 6 Górna, trzeciego grzania Boczny 8 2 400 000 19 200 000 7 Dolna, trzeciego grzania Boczny 8 3 00 0000 24 000 000 8 ^{Górna, wstępnego} wygrzewania Promienisty sklepieniowy ^{32 480 000 15 360 000} 9 ^{Dolna, wstępnego} wygrzewania ^{Boczny 6 3 000 000 18 000 000}

10 Prawa górna, wygrzewania ^Promienisty

sklepieniowy ^{16 380 000 6 080 000} 11 Lewa górna, wygrzewania ^Promienisty

sklepieniowy ^{16 380 000 6 080 000} 12 Prawa dolna, wygrzewania Przedni 6 1 500 000 9 000 000 13 Lewa dolna, wygrzewania Przedni 5 1 500 000 7 500 000

Ogólna pojemność cieplna górnych stref 91 120 000

Ogólna pojemność cieplna dolnych stref 114 900 000

2.3.2. Algorytm właściwego nagrzania i wygrzania wlewków w piecu pokrocznym

W piecach pokrocznych występuje często niedogrzanie wlewka od strony trzonu pieca. Problem ten spowodowany jest kilkoma czynnikami. Do najwaŜniejszych naleŜy zaliczyć: - chłodzenie od szyn ślizgowych,

- konstrukcję pieca umoŜliwiającą podniesienie temperatury dołu pieca w strefie grzewczej,

- nie ogrzewany trzon w strefie wyrównawczej.

Czynniki te powodują, Ŝe występuje konieczność wydłuŜenia czasu nagrzewania oraz czasu wygrzewania wlewków w strefie wyrównawczej, co wiąŜe się ze znacznymi startami mediów, głównie gazu oraz energii elektrycznej, potrzebnych do wytworzenia wyrobu finalnego. W celu usprawnienia procesu planowania produkcji w danej walcowni taśm, naleŜy poszukiwać alternatywnych wariantów rozwiązujących ten problem.

Na podstawie pomiarów atmosfery pieca i obliczeń symulacyjnych nagrzewania wlewka, autor pracy [3] proponuje krzywą nagrzewania dla pieca pokrocznego w walcowni taśm stalowych huty ArcelorMittal oddział w Krakowie przedstawioną na rysunku 2.13.

Rys. 2.13. Krzywe nagrzewania wlewków w piecu pokrocznym walcowni gorącej taśm dla niesymetrycznego rozkładu temperatury pieca nad wsadem i pod wsadem [3]

Realizacja tego celu została osiągnięta na podstawie zbudowanego algorytmu polegającego na wykorzystaniu zastępczych współczynników wymiany ciepła. Według autora wariant ten zakłada utrzymanie wysokich temperatur, leŜących na granicy moŜliwości pieca w poszczególnych strefach pieca. Skutkiem tego jest brak symetrii temperatury pieca nad

i pod wsadem. Do osiągnięcia wymaganego pola temperatury zimnego wsadu konieczne jest podniesienie temperatury pieca w strefach III i V nad wsadem oraz utrzymanie wysokich temperatur w strefach IV i VI pod wsadem. Czas nagrzewania wsadu zimnego dla tego wariantu moŜna skrócić wówczas z 220 do 180 minut, w tym nagrzewanie na trzonie stałym do 45 minut, co przedstawiono w tablicy 2.4.

Tablica 2.4. Strefy nagrzewania wlewka w piecu pokrocznym [33]

Grupa nagrzewania nr I II III IV V VI

Całkowity czas nagrzewania minimum,

minuty ^{100 145 160 180 200 220}

Czas wytrzymania w strefie wyrównawczej

minimum, minuty ^{20 25 30 45 50 55}

Wsad nagrzany według tego wariantu osiąga po 180 minutach pole temperatury takie jak po nagrzewaniu w ciągu 220 minut dla krzywej nagrzewania przedstawionej na rysunku 2.13. Wpływa to na mniejsze zuŜycie gazu potrzebnego do opalania pieca. Dostaje się wyrób finalny Ŝądanej jakości oraz w pełni optymalnie moŜna zarządzać procesem przygotowania produkcji w danej walcowni taśm stalowych walcowanych na gorąco bez zmian konstrukcji pieca.

Wyniki badań zaproponowane w pracy [3] zostaną wykorzystane do budowy modelu, który będzie miał na celu przedłuŜenie trwałości walców w procesie walcowania określonej długości kampanii walcowniczej oraz minimalizację kosztów wytworzenia wyrobu gotowego w zaleŜności od realizowanego programu walcowania.