blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2019-6-431-437blackmet-1651Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESРасчетные исследования тепловой работы и совершенствование конструкции кольцевой печи ПАО «Челябинский трубопрокатный завод» для улучшения теплотехнических показателей ее работыInvestigating the thermal work and construction of annular furnace on “Chelyabinsk pipe-rolling plant” PJSC to improve heat technical indicators of its workЩукинаН. В.ShchukinaN. V.

Магистрант кафедры «Теплофизика и информатика в металлургии»

620002, Екатеринбург, ул. Мира, 28EndFragment 

MA Student of the Chair “Thermal Physics and Informatics in Metallurgy”

Ekaterinburg

n.v.shchukina@urfu.ruЧеремискинаН. А.CheremiskinaN. A.

Магистрант кафедры «Теплофизика и информатика в металлургии»

620002, Екатеринбург, ул. Мира, 28EndFragment 

MA Student of the Chair “Thermal Physics and Informatics in Metallurgy”

Ekaterinburg

n.a.cheremiskina@urfu.ruЛошкаревН. Б.LoshkarevN. B.

Кандидат технических наук, доцент кафедры «Теплофизика и информатика в металлургии» 

620002, Екатеринбург, ул. Мира, 28; 

620137, Екатеринбург, ул. Студенческая, 16 

Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair “Thermal Physics and Informatics in Metallurgy”

Ekaterinburg

nb.loshkarev@urfu.ruЛавровВ. В.LavrovV. V.

Доктор технических наук, профессор кафедры «Теплофизика и информатика в металлургии» 

620002, Екатеринбург, ул. Мира, 28EndFragment 

Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Chair “Thermal Physics and Informatics in Metallurgy” 

Ekaterinburg

v.v.lavrov@urfu.ruУральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. ЕльцинаРоссияUral Federal University named after the first President of Russia B.N. YeltsinRussian FederationУральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина; ОАО «Научно-исследовательский институт металлургической теплотехники»РоссияUral Federal University named after the first President of Russia B.N. Yeltsin; OJSC “Scientific Research Institute of Metallurgical Heat Engineering”Russian Federation201927062019626431437Copyright © Щукина Н.В., Черемискина Н.А., Лошкарев Н.Б., Лавров В.В., 20192019Щукина Н.В., Черемискина Н.А., Лошкарев Н.Б., Лавров В.В.Shchukina N.V., Cheremiskina N.A., Loshkarev N.B., Lavrov V.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1651

Высокую производительность прокатных и трубопрокатных станов, хорошее качество готовой металлопродукции возможно получить путем подогрева металлических заготовок с минимальным окислением и обезуглероживанием в нагревательных печах. Такие условия обеспечивают кольцевые печи, которые широко используют в прокатном производстве труб, железнодорожных колес и бандажей. Качественный нагрев позволяет получить структуру металлоизделий с заданными теплофизическими и рабочими свойствами, а также пластичность, необходимую для последующей механической обработки. В настоящей работе рассмотрены теплотехнические особенности работы кольцевой печи для нагрева трубных заготовок перед прокаткой на ПАО «Челябинский трубопрокатный завод» (ЧТПЗ). Проанализированы проблемы, возникающие при работе теплового агрегата: высокие удельный расход топлива на нагрев заготовок и температуры наружных поверхностей стен и свода; низкая скорость нагрева заготовки; большой объем подсосов воздуха в рабочее пространство печи; конструкция газогорелочных устройств не предусматривает возможности регулирования подачи газа в большом диапазоне нагрузок, вплоть до периодического полного отключения; тепловая энергия отходящих газов практически не используется. Проведен расчет нагрева металла и составлен тепловой баланс кольцевой печи. В ходе анализа результатов расчетных исследований выявлены факторы, снижающие энергоэффективность существующей конструкции печи. Предложены мероприятия по ее модернизации с целью уменьшения расхода топлива и увеличения производительности (применение волокнистых огнеупорных материалов, регенеративных горелочных устройств, не водоохлаждаемых перегородок и др.). Для оценки влияния предложенных мероприятий составлен тепловой баланс печи после проведения реконструкции печных систем и узлов, определены основные показатели тепловой работы печи. При реализации предложенных мероприятий ожидается существенный экономический эффект, улучшение качества нагрева металла при сокращении расхода топлива и увеличение производительности агрегата. В частности, после проведения реконструкции печи ожидается повышение суммарного (на 18,1 %) и теплового (на 31,0 %) КПД печи, а также снижение (на48,3 кгу.т/т) удельного расхода топлива. 

High performance of rolling and tube rolling mills, good quality of finished metal products can be obtained by heating metal billets with minimal oxidation and decarburization in heating furnaces. Such conditions can be provided by annular furnaces, which are widely used in the rolling production of pipes, railway wheels and tires. High-quality heating allows us to obtain the structure of metal products with given thermal and working properties, as well as the plasticity necessary for subsequent mechanical processing. In this paper, we consider thermal engineering features of the operation of an annular furnace for heating billets before rolling at “Chelyabinsk Tube Rolling Plant” PJSC (ChTPZ). The problems arising during the operation of thermal unit were analyzed: high specific fuel consumption for billets heating; high temperatures of walls external surfaces and roof external surfaces; low heating rate of the billet; large amount of air leaks into the furnace working space. Also design of gas-burning devices does not provide the possibility of regulating gas supply in a large range of loads, up to a periodic complete shutdown. And thermal energy of waste gases is practically not used. Metal heating has been analyzed and annular furnace heat balance has been compiled. Analysis of the results of computational studies has revealed factors that reduce energy efficiency of the existing furnace design. The measures were proposed for its modernization in order to reduce fuel consumption and to increase productivity (use of fibrous refractory materials, regenerative burners, non-water-cooled partitions, etc.). To assess impact of the proposed measures, the furnace heat balance after its systems reconstruction and assembly has been compiled, the main indicators of the furnace heat operation have been determined. When implementing proposed measures, significant economic effect is expected, including improvement in quality of metal heating while reducing fuel consumption and increasing productivity of the unit. In particular, after furnace reconstruction it is expected to increase the total (by 18.1 %) and heat (by 31.0 %) efficiency of the furnace, and to decrease (to48.3 kgconditional fuel/ton) specific fuel consumption. 

кольцевая печьтепловой балансресурсосбережениереконструкциятехническое перевооружениетепловой КПДэкономия топливаannular furnaceheat balanceresource savingreconstructiontechnical re-equipmentthermal efficiencyfuel savinReferencesДружинин Г.М., Дистергефт И.М., Леонтьев В.А. и др. Основные направления реконструкции кольцевой печи для нагрева заготовок // Сталь. 2005. № 3. С. 65 – 67.Druzhinin G.M., Distergeft I M., Leont’ev V.A., Maslov P.V., Lobanov V.I. Reconstruction of annular furnace for billet heating. Steel in Translation. 2005, vol. 35, no. 3, pp. 45–48.Andreev S.M., Parsunkin B.N. Billet heating control fuel-saving solution in the rolling mill furnace // 2017 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM 2017 – Proceedings, 19 October 2017, article No. 8076167.Andreev S.M., Parsunkin B.N. Billet heating control fuel-saving solution in the rolling mill furnace. 2017 Int. Conf. on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing, ICIEAM 2017 – Proceedings, 19 October 2017, article no. 8076167.Парсункин Б.Н., Андреев С.М., Бушманова М.В. Оптимизация управления тепловым режимом нагревательных печей // Сталь. 2003. № 9. С. 65 – 67.Parsunkin B.N., Andreev S.M., Bushmanova M.V. Optimization of controlling the thermal conditions of heating furnaces. Stal’. 2003, no. 9, pp. 65–67. (In Russ.).Parsunkin B.N., Andreev S.M., Nuzhin D.V., Volkov A.V. Information employed in fuel-conserving control of metal heating // Steel in Translation. 2007. Vol. 37. No. 9. P. 792 – 796.Parsunkin B.N., Andreev S.M., Nuzhin D.V., Volkov A.V. Information employed in fuel-conserving control of metal heating. Steel in Translation. 2007, vol. 37, no. 9, pp. 792–796.Parsunkin B.N., Andreev S.M., Zhadinskii D.Yu. Energy-saving heating of continuous-cast billet // Steel in Translation. 2007. Vol. 37. No. 4. Р. 384 – 387.Parsunkin B.N., Andreev S.M., Zhadinskii D.Yu. Energy-saving heating of continuous-cast billet. Steel in Translation. 2007, vol. 37, no. 4, pp. 384–387.Parsunkin B.N., Andreev S.M. Requirements in energy-saving metal heating // Steel in Translation. 2002. Vol. 32. No. 2. P. 37 – 41.Parsunkin B.N., Andreev S.M. Requirements in energy-saving metal heating. Steel in Translation. 2002, vol. 32, no. 2, pp. 37–41.Parsunkin B.N., Andreev S.M., Logunova O.S., Akhmetov T.U. Energy-saving optimal control over heating of continuous cast billets // International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2015. Vol. 79. No. 9-12. P. 1797 – 1803.Parsunkin B.N., Andreev S.M., Logunova O.S., Akhmetov T.U. Energy-saving optimal control over heating of continuous cast billets. International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2015, vol. 79, no. 9-12, pp. 1797–1803.Andreev S.M., Bushmanova M.V., Parsunkin B.N. Optimal thermal-load distribution over the zones of a continuous furnace to minimize fuel costs // Electrical-engineering Systems: An Interuniversity Collection. MGTU, Magnitogorsk. 2000. No. 5. P. 301 – 307.Andreev S.M., Bushmanova M.V., Parsunkin B.N. Optimal thermal-load distribution over the zones of a continuous furnace to minimize fuel costs. Electrical-engineering Systems: An Interuniversity Collection. Magnitogorsk: MGTU, 2000, no. 5, pp. 301–307.Chen D., Lu B., Dai F., Chen G., Yu W. Variations on billet gas consumption intensity of reheating furnace in different production states // Applied Thermal Engineering. 2018. Vol. 129. P. 1058 – 1067.Chen D., Lu B., Dai F., Chen G., Yu W. Variations on billet gas consumption intensity of reheating furnace in different production states. Applied Thermal Engineering. 2018, vol. 129, pp. 1058–1067.Guangjun C. The problem and energy-saving of reheating furnace // Energy Metall. Indust. 2008. No. 27. P. 32 – 35.Guangjun C. The problem and energy-saving of reheating furnace. Energy Metall. Indust. 2008, no. 27, pp. 32–35.Steinboeck A., Wild D., Kugi A. Energy-efficient control of continuous reheating furnaces // IFAC Proceedings Volumes (IFAC-PapersOnline). 2013. Vol. 15. No. 1. P. 359 – 364.Steinboeck A., Wild D., Kugi A. Energy-efficient control of continuous reheating furnaces. IFAC Proceedings Volumes (IFAC-PapersOnline). 2013, vol. 15, no. 1, pp. 359–364.Lu B., Chen D., Chen G., Yu W. An energy apportionment model for a reheating furnace in a hot rolling mill – A case study // Applied Thermal Engineering. 2017. Vol. 112. P. 174 – 183.Lu B., Chen D., Chen G., Yu W. An energy apportionment model for a reheating furnace in a hot rolling mill – A case study. Applied Thermal Engineering. 2017, vol. 112, pp. 174–183.Dong W., Chen H. Strategy of rolling delay on reheating furnace // Kang T’ieh / Iron and Steel (Peking). 2004. Vol. 39. No. 1. P. 55 – 58.Dong W., Chen H. Strategy of rolling delay on reheating furnace. Kang T’ieh / Iron and Steel (Peking). 2004, vol. 39, no. 1, pp. 55–58.Теплотехнические расчеты металлургических печей / Б.И. Китаев, Б.Ф. Зобнин, В.Ф. Ратников и др.; под общ. ред. А.С. Телегина. – М: Металлургия, 1970. – 528 с.Kitaev B.I., Zobnin B.F., Ratnikov V.F. etc. Teplotekhnicheskie raschety metallurgicheskikh pechei [Heat engineering calculations of metallurgical furnaces]. Telegin A.S. ed. Moscow: Metallurgiya, 1970, 528 p. (In Russ.).Теплотехнические расчеты металлургических печей. Учеб. пособие для вузов / Б.Ф. Зобнин, М.Д. Казяев, Б.И. Китаев, В.Г. Лисиенко, А.С. Телегин, Ю.Г. Ярошенко. 2-е изд. – М.: Металлургия, 1982. – 360 с.Zobnin B.F., Kazyaev M.D., Kitaev B.I., Lisienko V.G., Telegin A.S., Yaroshenko Yu.G. Teplotekhnicheskie raschety metallurgicheskikh pechei. Ucheb. posobie dlya vuzov [Thermal calculations of metallurgical furnaces. University manual]. Moscow: Metallurgiya, 1982, 360 p. (In Russ.).Теплотехнические расчеты металлургических печей. Учебник для вузов / Я.М. Гордон, Б.Ф. Зобнин, М.Д. Казяев и др. 3-е изд. – М.: Металлургия, 1993. – 368 с.Gordon Ya.M., Zobnin B.F., Kazyaev M.D., Kitaev B.I. etc. Teplotekhnicheskie raschety metallurgicheskikh pechei. Uchebnik dlya studentov vuzov [Thermal calculations of metallurgical furnaces. Textbook for universities]. Moscow: Metallurgiya, 1993, 368 p. (In Russ.).Теория и практика теплогенерации. Учебник / Под ред. В.И. Лобанова, С.Н. Гущина. – Екатеринбург: изд. УГТУ-УПИ, 2005. – 379 с.Teoriya i praktika teplogeneratsii: uchebnik [Theory and practice of heat generation: Textbook]. Lobanov V.I., Gushchin S.N. eds. Ekaterinburg: izd. UGTU-UPI, 2005, 379 p. (In Russ.).Топливо и расчеты его горения. Учеб. пособие / С.Н. Гущин, Л.А. Зайнуллин, М.Д. Казяев, Б.П. Юрьев, Ю.Г. Ярошенко. – Екатеринбург: изд. УГТУ-УПИ, 2007. – 105 с.Gushchin S.N., Zainullin L.A., Kazyaev M.D., Yur’ev B.P., Yaroshenko Yu.G. Toplivo i raschety ego goreniya: uchebnoe posobie [Fuel and burning calculations: Manual]. Ekaterinburg: izd. UGTU-UPI, 2007, 105 p. (In Russ.).Технический отчет по работе «Проведение балансовых испытаний методической печи ТПЦ № 1 для нагрева заготовок из стали 09Г2С». – Екатеринбург: ОАО «Уралэнергочермет», 2014. – 42 с.Tekhnicheskii otchet po rabote “Provedenie balansovykh ispytanii metodicheskoi pechi TPTs № 1 dlya nagreva zagotovok iz stali 09G2S” [Technical report on “Balance tests of continuous furnace Pipe Rolling Shop no. 1 for 09G2S steel billets heating”]. Ekaterinburg: OAO “Uralenergochermet”, 2014, 42 p. (In Russ.).Расчет нагревательных и термических печей. Справочник / С.Б. Василькова, М.М. Генкина, В.Л. Гусовский и др. – М.: Металлургия, 1983. – 480 с.Расчет нагревательных и термических печей. Справочник / С.Б. Василькова, М.М. Генкина, В.Л. Гусовский и др. – М.: Металлургия, 1983. – 480 с.Дружинин Г.М., Лошкарев Н.Б., Ашихмин А.А., Барташ М.Р., Нелюбин С.А., Коробейников А.В. Эффективность регенеративной системы отопления нагревательной печи // Сталь. 2010. № 3. С. 71 – 75.Дружинин Г.М., Лошкарев Н.Б., Ашихмин А.А., Барташ М.Р., Нелюбин С.А., Коробейников А.В. Эффективность регенеративной системы отопления нагревательной печи // Сталь. 2010. № 3. С. 71 – 75.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.