Колпаковая печь – печь периодического действия для термообработки рулонов ленты, листов и бунтов проволоки. Отличительная особенность колпаковой печи – наличие двух колпаков: внутреннего, предохраняющего металл от окисления (муфеля), и наружного, футерованного огнеупорным кирпичом, на котором монтируются горелки или электрические нагреватели. Муфель выполняется из жароупорной стали. Герметизация колпаковой печи достигается применением песочных затворов. Обычно для ускорения нагрева металла с помощью внутреннего циркуляционного вентилятора создают интенсивную циркуляцию защитного газа под муфелем.

Принципиальные отличия имеют колпаковые печи для отжига листов, уложенных в стопу; колпаковые печи одностопные, колпаковые печи трёхстопные и колпаковые печи для отжига распушенных рулонов. Из этого многообразия конструкций наиболее распространена одностопная печь. Она лучше других вписывается в поточное производство, нагревает металл достаточно равномерно и быстро, даёт низкую себестоимость нагрева и довольно низкий расход топлива.

Пример одностопной колпаковой печи приведен на рисунке.

схема колпаковой печиВремя нагрева в колпаковой печи является главным фактором, влияющим на расход топлива. Время зависит от условий теплообмена на торцах и боковой поверхности рулонов металла. Известно, что для прогрева плотносмотанных рулонов в радиальном направлении требуется времени в несколько раз больше, чем для прогрева в аксиальном направлении. Это связано с тем, что коэффициент теплопроводности в радиальном направлении для стали составляет только 1,5-4 Вт/(м⋅К), а в аксиальном направлении около 30 Вт/(м⋅К). Низкие значения коэффициента теплопроводности в радиальном направлении связаны с наличием воздуха между витками рулона. Для обеспечения подвода необходимого количества теплоты к торцам рулонов служат специальные устройства, называемые конвекторными кольцами и размещаемые между рулонами. Они представляют собой набор узких параллельных спиралевидных каналов между плоскими пластинами. По каналам проходит горячий защитный газ, отдающий свою теплоту. Высота конвекторных колец – 50-120 мм.

Равномерность нагрева металла определяется типом направляющего аппарата, расположенного в самом низу муфеля. Внутри аппарата располагается рабочее колесо циркуляционного вентилятора. Защитная атмосфера подсасывается в аппарат сверху вниз и распределяется по периферии.

Принцип работы колпаковой печи определяется технологическим процессом, который делится на три примерно одинаковые стадии: нагрев до 650-800 °С, охлаждение под муфелем до 150 °С и без него и последняя стадия –разгрузка и загрузка стенда. Равенство времени по стадиям позволяет использовать три стенда с одним нагревательным колпаком и двумя муфелями. Загрузка металла заканчивается опусканием на стенд поверх стопы рулонов муфеля и нагревательного колпака. После этого подаётся защитный газ (обычно смесь из 95 % N2 и 5 % Н2 ) и с помощью циркуляционного вентилятора осуществляется его циркуляция. Затем включаются горелки. Продукты горения проходят между нагревательным колпаком и муфелем и при помощи инжектора (инжектирующая среда – компрессорный воздух) удаляются в дымоотводы и в дымовой боров. Температура дыма перед инжектором около 630-660 °С. В колпаковых печах физическая теплота дыма обычно не утилизируется, что можно считать одним из недостатков печей.

Защитный газ подается циркуляционным вентилятором в зазор между муфелем и рулонами стопы. Газ равномерно распределяется по конвекторным кольцам и через них попадает во внутренние полости рулонов, омывая их. Опускаясь по внутренней полости стопы газ возвращается в циркуляционный вентилятор. Кольца получают теплоту от защитного газа конвекцией и нагревают рулоны. Муфель излучает на боковую поверхность металла, но тепловой поток несущественен для нагрева рулонов из-за отмеченного ранее низкого коэффициента теплопроводности в радиальном направлении. Исключение делается для верхнего рулона, который получает теплоту на свой торец. Поэтому верхний рулон всегда греется быстрее других. В наихудших условиях нагрева и охлаждения находится нижний рулон. Проблемой является низкий коэффициент теплоотдачи от муфеля к защитному газу, в результате чего вынужденно поддерживаются высокими температура муфеля и температура дыма под нагревательным колпаком. Это приводит к повышенной температуре уходящих газов и высокому расходу топлива.

Ориентировочный тепловой баланс колпаковой печи

Ориентировочный вид теплового баланса камеры сжигания топлива колпаковой печи (под нагревательным колпаком) приведен в табл. 7.5.

При составлении баланса принято следующее. Происходит нагрев стопы из 4 рулонов стальной ленты диаметром 2,2 метра от 60 до 720 °С. Масса садки – 110,4 тонны. Время нагрева – 50 часов. Допустимая разница температур по объему садки – 50 °С. Топливо – коксодоменная смесь с низшей теплотой сгорания 6,65 МДж/м3.

В данном примере удельный расход топлива составил 1129/29,3 = 39 кг у.т./т металла. Обычно удельный расход топлива в одностопных колпаковых печах в зависимости от режима термообработки составляет от 35 до 50 кг у.т./т металла.

Пути экономии топлива в колпаковых печах:

  • использование рекуператоров для подогрева воздуха до 350-390 °С, что снижает расход топлива на 17-20%;
  • интенсификация теплообмена между нагревательным колпаком и муфелем (специальная обмазка внутренней поверхности нагревательного колпака, скоростные горелки и т.п.);
  • разработка оптимальной конструкции конвекторных колец, обеспечивающих высокую теплоотдачу к торцам рулонов и имеющих низкое гидравлическое сопротивление;
  • применение в кладке волокнистых огнеупорных материалов, позволяющих примерно в 2 раза снизить потери теплоты на аккумуляцию кладки;
  • разработка конструкции печи с условиями теплообмена на всех торцах рулонов, похожими на условия для верхнего торца верхнего рулона;
  • замена двух колпаковых печей одной реверсивной печью, принцип которой аналогичен работе стана Стеккеля: две обогреваемые камеры с печными моталками. Но в отличие от стана Стеккеля, между камерами
    с моталками находится система стационарных и подвижных роликов, подогревающих или охлаждающих ленту рулона при перематывании;
  • изменение схемы подачи защитного газа: газ подается циркуляционным вентилятором не по периферии, а по центру рулона и через конвекторные кольца выбрасывается струями на стенки защитного муфеля. При этом резко увеличивается теплоотдача на внутренней поверхности муфеля, что приводит к сокращению времени цикла термообработки на 20-30 % и сокращению расхода топлива.