CC BY
1УДК 669
МЕТОДИЧЕСКАЯ ПЕЧЬ С ШАГАЮЩИМ ПОДДОНОМ НА ПРИРОДНОМ ГАЗЕ: ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ОТРАСЛИ
КАЗАХСТАНА
ГЕЛЬМАНОВА ЗОЯ САЛИХОВНА
Профессор, Карагандинский индустриальный университет, Темиртау, Казахстан
КОНОВАЛЕНКО МИХАИЛ ВЛАДИМИРОВИЧ
Магистрант, Карагандинский индустриальный университет, Темиртау, Казахстан
БАТЫРБЕК ЭЛ1БЕК ЕС1МБЕК¥ЛЫ
Докторант, Карагандинский индустриальный университет, Темиртау, Казахстан
СМАЙЛ АРАЙЛЫМ АСЫЛХАНОВНА
Докторант, Карагандинский политехнический университет, Караганда, Казахстан
Аннотация. Методические печи с шагающим поддоном, работающие на природном газе, представляют собой эффективное и экологически устойчивое решение для термической обработки металлов. В данной статье рассматриваются особенности конструкции и эксплуатации таких печей, анализируются их преимущества по сравнению с традиционными технологиями, а также проводится оценка их применения в условиях металлургических предприятий Казахстана. Статья подчеркивает важность внедрения природного газа как топлива в целях повышения энергоэффективности и снижения экологической нагрузки.
Ключевые слова. методическая печь, шагающий поддон, природный газ, металлургия, энергоэффективность, углеродный след, Казахстан, Карагандинская область.
Металлургическая отрасль Казахстана играет ключевую роль в развитии экономики страны, обеспечивая производство стратегически важных материалов для промышленности. В условиях стремительного технологического прогресса и необходимости повышения экологической устойчивости остро встает вопрос модернизации металлургического оборудования. Одной из инновационных технологий, привлекающих внимание, является использование методических печей с шагающим поддоном, работающих на природном газе [1,2].
Методическая печь с шагающим поддоном предназначена для нагрева заготовок перед процессами прокатки или ковки. Особенностью данного оборудования является перемещение заготовок по печи с помощью шагающих механизмов, что позволяет равномерно распределять тепло, минимизировать механические повреждения и повышать энергоэффективность.
Применение природного газа в качестве топлива обеспечивает: снижение выбросов углекислого газа и других загрязняющих веществ в атмосферу по сравнению с угольным или мазутным топливом; экономичность за счет высокой теплотворной способности природного газа и относительно стабильной стоимости ресурса; точный контроль температуры, что способствует улучшению качества продукции и снижению потерь металла [3,4].
Металлургические предприятия Казахстана, такие как АО "QARMET" и ТОО "Кастинг", сталкиваются с необходимостью модернизации своих производственных мощностей. Переход на методические печи с шагающим поддоном может стать важным этапом в повышении конкурентоспособности предприятий [5].
Учитывая мировую тенденцию к декарбонизации, применение печей на природном газе соответствует экологическим требованиям и снижает углеродный след предприятий [3].
Казахстан обладает значительными запасами природного газа, что обеспечивает устойчивость поставок топлива для промышленных нужд [6].
Равномерный нагрев заготовок способствует улучшению механических свойств металла и сокращению производственных дефектов [5].
Однако внедрение данной технологии сопровождается рядом вызовов: инвестиции в новые печи и сопутствующую инфраструктуру требуют значительных финансовых ресурсов; для эффективной эксплуатации современных печей требуется квалифицированный технический персонал; в некоторых регионах страны доступность природного газа ограничена, что требует развития газораспределительных сетей.
Рост требований к энергоэффективности и экологической безопасности в металлургической отрасли стимулирует внедрение инновационных технологий термической обработки металлов [1]. Методические печи с шагающим поддоном на природном газе предоставляют возможность оптимизировать процессы нагрева заготовок, повысить производительность и значительно сократить выбросы углекислого газа[3]. Для Казахстана, с его обширными запасами природного газа и стратегической ролью металлургии в экономике, данное направление является особенно важным. Кроме того, исследование возможностей адаптации технологии к местным условиям способствует повышению конкурентоспособности казахстанских предприятий на мировом рынке.
Непрерывный широкополосный стана 1700 горячей прокатки был в 1959г. спроектирован Новокраматорским машиностроительным заводом «НКМЗ» (г. Краматорск, Украина) и в январе 1968 года запущен в работу Проектная производительность 4,0 млн. тн/год. В составе цеха находятся методические печи в количестве 4 шт.
Печь - методическая, рекуперативная, пятизонная с двухсторонним нагревом с торцевым посадом и выдачей толкательного типа. Методические печи служат для нагрева заготовки (слябов) перед выдачей в прокат на производство готового продукта (подката для цехов холодной прокатки и горячекатанной рулонной и листовой продукции)
Нагрев слябов в методическом печи выполняется при помощи коксодоменного газа калорийностью от 1350 до1600 ккал/нм3
Давление газа на подводе к печи от 1350 до1600 мм.вд.ст.
Максимальный расход газа на печь 65000 нм3/ч.
Удельный расход тепла, МДж/кг 2,5-2,7.
При существующем топливообеспечении (коксовый + доменный газ + пропан) производительность одной печи на холодном посаде составляет: При одновременной работе трех печей 165,45 т/час
При одновременной работе четырех печей 151,85 т/час
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
Активная длина пода печи 35900 мм
Ширина пода печи 10300 мм
Активная ширина пода печи 9500 мм
Номинальное давление в рабочем пространстве под сводом печи не менее 2,0 мм.вод.ст. Горелки инжекционные 49 шт. Расстояние между продольными осями существующих печей № 1-2, 2-3, 3-4 составляет 24 метра.
Основными недостатками установленных методических печей является вибрация всего каркаса при проталкивании металла. Из-за постоянной вибрации каркаса печи, рушится теплоизоляционный кирпич воздухопроводов. Несовершенство конструкции отдельных элементов исключает возможность автоматического регулирования теплового режима, приводит к перепаду температур и давления по зонам печи и неравномерному нагреву металла. Вследствие недостаточной циркуляции пароводяной смеси имеет место прогиб глиссажных труб в горизонтальном и вертикальном сечениях.
На всех печах разряжение недостаточное для полного расхода газа (95 000м3/час) согласно проекту. Желоб гидроудаления окалины имеет малый уклон, в результате чего удаление окалины производится ручным способом.
Существующие методические печи потребляют энергоресурсы в количестве 2,4 ГДж/тн, что значительно превышает современные конструкции печей с шагающими балками и использующие для нагрева слябов природный газ[4].
Для достижения планируемых производственных показателей в размере 4,5 млн.тн. и снижения потребления энергоресурсов до уровня 1,8 ГДж/тн было принято решение о замене методических печей толкательного типа на методические печи с шагающими балками, выполняющие следующие условия[3]:
Прием, нагрев до температуры 1160 -1250°С, и выдача слябов для последующей прокатки на стане 1700 с точностью нагрева 20°С и имеющую равномерный прогрев по сечению слябов до максимальной температуры. Производительность методической печи должна составлять до 400 т/час на холодном посаде и до 500 т/час на горячем посаде слябов ((t слябов >/= 300°С)[5,6].
Новые методические печи должны обеспечить снижение до минимума расхода топлива посредством оптимизированной рекуперативной (без нагрева) зоны, надлежащей конструкции огнеупорной футеровки (в целях сведения к минимуму потерь тепла) и соответствующего предварительного нагрева воздуха (утилизация энергии отходящих газов) [1,3,4]. Сокращение до минимума числа «холодных полос» на заготовках от их соприкосновения с глиссажными трубами путем целесообразного размещения балок со смещением балок при выдаче из печи. Быстрое восстановление показателей производительности и качества продукции после запланированной или незапланированной остановки стана, благодаря расчетному запасу характеристик зон сжигания топлива, а также автоматическому регулированию температуры в зонах на основе математической модели нагрева. Качество сжигания топлива должно контролироваться анализатором содержания CO2, установленным на своде зоны рекуперации перед отверстием выпуска отходящих газов, с целью исключения влияния подсоса воздуха на точность результатов измерений [3]. Анализ содержания CO2 (только индикация) позволяет обеспечивать безопасную работу за счет полного сгорания топлива до выхода отходящих газов из печи независимо от заданного или фактического соотношения компонентов топливной смеси. Таким образом, также исключается дожигание топлива с участием воздуха, подсасываемого через трубные пучки рекуператора, что весьма неблагоприятным образом влияло бы на срок службы рекуператоров.
Методическая печь имеет автоматическое управление процессом нагрева металла, механизмами загрузки в печь, управление механизмами шагания подвижных балок печи, механизмами выгрузки из печи, выполнять условие снижение угара металла до уровня не более 7кг/т, снижение расхода электроэнергии на нагрев металла не менее чем на 1 КВт.час/т;
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
автоматическое управление должно использовать измерительный преобразователь давления, измерительный преобразователь температуры отходящих газов перед рекуператором датчик расхода воздуха для горения.
Требование к конструктивным особенностям методической печи для более полного и эффективного сжигания поступающего топлива [3].
Топливный газ от точки подключения должен распределяться по зонам регулирования с воздухом для горения, подаваемый с помощью центробежных вентиляторов, которые потребляют 60% от общего объема необходимого воздуха для горения, воздух предварительно нагревается через рекуператор, расположенный в канале отходящих газов, чтобы максимизировать эффективность печи, а затем распределяется к зонам контроля [2,3].
Соотношение воздуха и топлива в каждой зоне должно регулироваться двойным перекрестным контролем с целью снижения уровня загрязнений и содержания несгоревшего топлива в отходящих газах. При открытии клапанов клапан подачи воздуха открывается раньше клапана подачи топлива; при закрытии клапанов клапан подачи топлива закрывается раньше клапана подачи воздуха. Значения расхода, при которых происходит открытие/закрытие, а также сигналы обратной связи от расходомеров воздуха и топлива определяют верхний и нижний пределы изменения расхода воздуха и топлива в соответствии с заданным значением соотношения воздуха и топлива.
Должна быть предусмотрена возможность каскадного регулирования управления соотношением воздуха и топлива в нижних зонах в зависимости от соответствующих верхних зон. Выходной сигнал от регулятора температуры верхней зоны с использованием выбираемого коэффициента заменяет соответствующий выходной сигнал от регулятора температуры нижней зоны.
Печной профиль должен быть максимально плоским, исключая пережимы по всей длине. Удаление продуктов сгорания должно производиться на максимально-возможном расстоянии от окна выгрузки. Дымоудаление - верхнее, в конце (по дыму) методической зоны.
Система удаления должна состоять из следующих элементов: камера продуктов сгорания на своде методической зоны, поворотный дымопровод на левую и правые стороны, дымоспады с камерами рекуператора, дымовые клапана. Рекуператоры должны быть трубчатые конвективного типа. Дымовые клапана (2 шт) должны быть в составе поставки. Существующие клапана будут использоваться вручную как грубая настройка. На отм -10,0 м новые дымопроводы соединяются с существующими дымоспадами, переходящими в боров, и далее на дымовую трубу [2,3].
Требование к оборудованию нагрева слябов и рекуперации [2,3]:
Горелки установить с 2-х сторон, над и под металлом позонно. Максимальная длина факела горелок (при номинальной мощности) должна быть 6,0 - 7,0 м и обеспечивать равномерный прогрев сляба по длине. Давление перед горелками должно быть стабильным в диапазоне 6 - 9КПа, для чего требуется установить два регулятора давления на ГРП на 1 и 2 линию.
Было запрошены компании, являющиеся лидерами в области подготовки и реализации подобных проектов. Это компании CERI, CISDI, Danieli Centro Combustion, John Cockerill Industry, SMS Group, Tenova. Технические предложения обеспечивают технические условия проекта в части производительности и расхода энергоресурсов.
Использование природного газа вместо традиционного твердого или жидкого топлива позволяет сократить затраты на топливо до 20-30%, учитывая его более низкую стоимость и высокую теплотворную способность. Дополнительно снижаются расходы на очистку и утилизацию продуктов горения, что особенно актуально для предприятий Казахстана с высокими экологическими стандартами [5].
Конструкция шагающего поддона обеспечивает равномерный нагрев заготовок, минимизируя тепловые потери. Это позволяет сократить потребление энергии на 10-15%, что особенно важно при высоких ценах на энергоресурсы [2,3].
Природный газ выделяет значительно меньше углекислого газа (на 20-40%) по сравнению с углем или мазутом. Это снижает риск уплаты штрафов за превышение экологических норм и улучшает имидж компании как экологически ответственного предприятия [3].
Благодаря непрерывности процесса нагрева и возможности тонкой настройки температурного режима, производительность методической печи с шагающим поддоном увеличивается на 10-25%. Это позволяет предприятиям обрабатывать большее количество продукции за тот же временной интервал [5].
Конструкция печи и использование природного газа уменьшают износ внутренних элементов оборудования, что сокращает расходы на ремонт и увеличивает срок службы печи на 20-30%.
Равномерный нагрев заготовок позволяет добиться стабильного качества продукции, снижая уровень брака на 5-10%. Это создает дополнительные конкурентные преимущества для продукции на рынке.
В зависимости от размеров предприятия и уровня внедрения технологий, срок окупаемости печи с шагающим поддоном составляет 3-5 лет. Экономия за счет сокращения эксплуатационных расходов и штрафов за экологические нарушения быстро компенсирует первоначальные инвестиции.
Предприятие использует традиционную печь с затратами на топливо в размере 1 млн тенге в месяц. Переход на методическую печь на природном газе может снизить эти затраты до 700 тыс. тенге в месяц. Экономия составит 300 тыс. тенге в месяц, или 3,6 млн тенге в год. С учетом повышения производительности и снижения брака, общий экономический эффект может достигать 5 млн тенге ежегодно.
Экологический эффект можно разделить на количественные и качественные показатели, которые связаны с уменьшением вредных выбросов, повышением
экологической устойчивости производства и выполнением международных экологических стандартов.
Количественные показатели экологического эффекта. Снижение выбросов углекислого газа (CO2): Природный газ при сгорании выделяет меньше углекислого газа на единицу тепла, чем уголь или мазут.
Показатели снижения: выбросы CO2 при использовании природного газа составляют около 56 кг на 1 ГДж энергии; для угля и мазута - 90-100 кг на 1 ГДж энергии.
Если предприятие потребляет 100 ГДж энергии в сутки: традиционная печь (уголь): выбросы составляют 9 тонн С02/день; печь на природном газе: выбросы составляют 5,6 тонн С02/день; разница: сокращение выбросов 3,4 тонны CO2 в сутки или 1 241 тонны CO2 в год.
Природный газ обладает более низкой температурой горения, что сокращает образование оксидов азота. Показатели снижения: NOx при использовании природного газа: 50-100 мг/м3.; NOx при использовании угля: 200-400 мг/м3.
Результат: уменьшение выбросов NOx на 50-75%. Уменьшение выбросов твердых частиц и сажи: сжигание природного газа практически не образует твердых частиц, в отличие от угля или мазута. Сравнение: традиционная печь (уголь): выбросы твердых частиц до 200 мг/м3; печь на природном газе: выбросы менее 5 мг/м3.
Результат: сокращение выбросов твердых частиц более чем на 95% .
Природный газ практически не содержит серы, тогда как уголь и мазут содержат ее в значительных количествах. Сравнение: уголь: выбросы SO2 до 700 мг/м3; природный газ: выбросы SO2 - менее 5 мг/м3.
Результат: снижение выбросов SO2 на 99%. Сокращение выбросов вредных веществ (CO2, NO x, SO2, твердые частицы) приводит к улучшению экологической обстановки вблизи предприятия. Это снижает уровень загрязнения воздуха и риск заболеваний дыхательной системы у населения. Отсутствие твердых отходов сжигания (золы, шлаков) исключает загрязнение почвы и подземных вод продуктами распада. Природный газ не образует кислотных дождей (вызванных SO2 и NOx), что сохраняет окружающую флору и фауну.
Внедрение печей на природном газе позволяет предприятиям соответствовать требованиям международных стандартов, таких как ISO 14001 (экологический менеджмент). Это открывает доступ к новым рынкам и снижает риск штрафов. Снижение выбросов и переход на более экологичное топливо улучшает имидж компании как ответственного бизнеса. Это может привлечь новые инвестиции и укрепить доверие со стороны клиентов и партнеров.
Для предприятия, потребляющего 36 500 ГДж энергии в год: снижение CO2: ~12 410 тонн/год; снижение NOx: ~36 тонн/год.; снижение SO2: ~24,8 тонн/год. Снижение твердых частиц: более 2 тонн/год. Этот эффект выражается в снижении затрат на компенсацию экологического ущерба; увеличении продолжительности жизни оборудования из-за отсутствия коррозионных и абразивных воздействий отходов; общем улучшении устойчивости экосистем вокруг предприятия.
Вывод. Методическая печь с шагающим поддоном на природном газе представляет собой перспективное решение для металлургической отрасли Казахстана, способствующее повышению энергоэффективности, экологической безопасности и качества продукции. Несмотря на существующие барьеры, развитие инфраструктуры, государственная поддержка и стратегическое планирование могут способствовать успешной реализации этой технологии.
Интеграция инновационных технологий в металлургию Казахстана не только укрепит позиции страны на мировом рынке металлов, но и станет шагом на пути к устойчивому развитию и экологической ответственности. Методические печи с шагающим поддоном на природном газе демонстрируют высокую эффективность в сравнении с традиционными решениями благодаря равномерности нагрева и экономии топлива. Внедрение данной
ОФ "Международный научно-исследовательский центр "Endless Light in Science"
технологии на предприятиях Казахстана позволит сократить углеродный след и соответствовать международным экологическим стандартам. Участие казахстанских ученых в разработке и адаптации технологии способствует усилению научно-технического потенциала страны и развитию локального производства. Перспективы дальнейшего применения включают модернизацию существующих печей и разработку автоматизированных систем управления термическими процессами.
ЛИТЕРАТУРА
1. Абдрахманов А. Т., и др. "Инновации в области термической обработки металлов." // Научные исследования Казахстана, 2023, т. 5, №1, С. 70-80.
2. Smith J., & Taylor R. "Walking Beam Furnaces: An Overview of Natural Gas Usage." // Energy Efficiency in Metallurgy, 2021, vol. 34, pp. 115-130.
3. Brown P. et al. "Carbon Reduction in the Steel Industry through Advanced Furnace Designs." // Journal of Cleaner Production, 2022, vol. 28, pp. 25-42.
4. Иванов С. А., и др. "Влияние внедрения экологически чистых технологий на металлургические предприятия." // Журнал "Промышленная экология", 2022, №4, с. 3543.
5. Ахметов Б. К., и др. "Энергоэффективные технологии в металлургии Казахстана." // Журнал "Металлургия Казахстана", 2022, №3, С. 45-54.
6. Жуманов Е. С., и др. "Использование природного газа в металлургической отрасли: современные подходы." // Вестник Карагандинского университета, 2023, №2, С. 15-20.
