کوره پیش گرم نورد چیست؟ بررسی انواع، کاربرد و نحوه عملکرد
دسترسی سریع به محتوای این مطلب
کوره پیش گرم نورد یکی از تجهیزات اصلی خطوط نورد گرم است که شمش، بیلت یا اسلب فولادی را پیش از ورود به قفسه های نورد تا دمای مناسب و تا حد امکان یکنواخت گرم می کند. هدف این مرحله فقط داغ کردن فولاد نیست؛ اختلاف دمای سطح و مرکز مقطع نیز باید کنترل شود تا ماده هنگام تغییر شکل پلاستیک، رفتار پایدارتر و قابل پیش بینی تری داشته باشد. کیفیت گرمایش می تواند بر مصرف انرژی، تشکیل پوسته اکسیدی، راندمان تولید و کیفیت محصول نورد شده اثر بگذارد. به همین دلیل طراحی و بهره برداری از کوره پیش گرم فولاد در کنار عواملی مانند ظرفیت خط، نوع محصول و قیمت آهن آلات بر هزینه نهایی تولید تاثیر دارد. کوره های جدید نیز با کنترل دقیق مشعل و بازیابی حرارت برای کاهش مصرف سوخت توسعه یافته اند.
کوره نورد باید فولاد را به شرایط حرارتی لازم برای نورد گرم برساند و قطعه با حداقل افت دما وارد مراحل تغییر شکل شود. اگر این سوال مطرح است که نوردکاری فولاد چیست، می توان آن را فرآیندی دانست که طی آن فلز با عبور از میان غلتک ها به ضخامت، سطح مقطع یا شکل مورد نظر می رسد و در نورد گرم، دمای مناسب نقش مستقیمی در قابلیت تغییر شکل دارد. در کوره نورد پیش گرم، گرمایش معمولا به صورت مرحله ای و در نواحی حرارتی مختلف انجام می شود تا قطعه بدون شوک حرارتی شدید به دمای خروج برسد. نوع سوخت، آرایش مشعل ها، سیستم انتقال شمش و روش بازیافت حرارت نیز بر عملکرد کوره اثر دارند. در ادامه، انواع کوره پیش گرم، اجزا، نحوه عملکرد، دمای کاری، مراحل گرم کردن شمش، مصرف انرژی و معیارهای انتخاب آن بررسی می شوند.
کوره پیش گرم (Reheating Furnace) چیست؟
کوره پیش گرم یا Reheating Furnace تجهیزی صنعتی است که در خطوط نورد گرم برای رساندن شمش، بیلت یا اسلب به دمای مناسب تغییر شکل پلاستیک استفاده می شود. در این کوره، قطعه فولادی باید به شکلی کنترل شده گرم شود تا اختلاف دمای سطح و مرکز آن به حد قابل قبول برسد و هنگام ورود به قفسه های نورد، تغییر شکل یکنواخت تری داشته باشد. طبق گزارش وزارت انرژی آمریکا، فولاد در کوره های پیش گرم معمولی می تواند تا حدود 2100 درجه فارنهایت، معادل تقریبی 1150 درجه سانتی گراد، گرم شود؛ البته دمای واقعی به گرید فولاد، ابعاد مقطع و فرآیند نورد بستگی دارد. از آنجا که قیمت شمش فولادی بخش مهمی از هزینه مواد اولیه خط نورد را تشکیل می دهد، کنترل صحیح گرمایش و کاهش اکسیداسیون و پرت فلز نیز از نظر اقتصادی اهمیت دارد.
کوره پیش گرم فولاد می تواند برای مقاطع نیمه ساخته مختلف طراحی شود و انتخاب نوع آن به ظرفیت خط، ابعاد محصول و شیوه جابجایی قطعه وابسته است. انواع شمش فولادی شامل بیلت، بلوم و اسلب از نظر سطح مقطع و کاربرد تفاوت دارند و همین موضوع بر طول کوره، آرایش مشعل ها، زمان ماند و سیستم انتقال اثر می گذارد. شرکت Danieli کوره های Walking Beam، Pusher و Roller Hearth را از گزینه های متداول برای خطوط نورد معرفی می کند و Tenova نیز این تجهیزات را برای گرم کردن بیلت، بلوم و اسلب به کار می گیرد. هدف اصلی در تمام این کوره های پیش گرم، ایجاد دمای یکنواخت، تامین ظرفیت تولید مورد نیاز و کاهش مصرف سوخت و تشکیل پوسته اکسیدی است.
مشخصات کوره پیش گرم
مشخصات کوره پیش گرم به نوع ماده، ظرفیت خط نورد، ابعاد شمش، نوع سوخت و روش انتقال قطعه بستگی دارد و برای همه خطوط نمی توان یک مجموعه مشخصات ثابت در نظر گرفت. مهم ترین پارامترهای فنی شامل ظرفیت تولید بر حسب تن در ساعت، حداکثر دمای کاری، تعداد نواحی حرارتی، زمان ماند شمش، نوع مشعل، مصرف ویژه سوخت، سیستم کنترل دما و روش شارژ و تخلیه هستند. در کوره پیش گرم فولاد، دمای خروج معمولا باید برای نورد گرم کافی باشد و در بسیاری از خطوط فولادی در محدوده تقریبی 1100 تا 1250 درجه سانتی گراد قرار می گیرد، اما مقدار دقیق با توجه به گرید فولاد و ابعاد مقطع تعیین می شود. یکنواختی دمای سطح و مرکز شمش نیز یکی از شاخص های مهم عملکرد کوره است، زیرا اختلاف دمای زیاد می تواند کیفیت نورد را کاهش دهد.
مشخصات کوره برای مواد مختلف نیز تغییر می کند. برای نمونه اگر بخواهیم بدانیم بیلت آلومینیوم چیست و چگونه پیش گرم می شود، باید توجه داشت که بیلت آلومینیومی پیش از اکستروژن معمولا در دماهای بسیار پایین تر از فولاد گرم می شود. برخی کوره های بیلت آلومینیوم برای دمای کاری تا حدود 580 درجه سانتی گراد طراحی شده اند و از گاز طبیعی، LPG یا برق استفاده می کنند. در طراحی کوره پیش گرم نورد فولاد نیز معمولا چند ناحیه شامل پیش گرم، گرم کردن و هم دما سازی در نظر گرفته می شود. نوع نسوز، ضخامت عایق، آرایش مشعل ها، کنترل فشار داخل کوره، بازیافت حرارت دود و سیستم اتوماسیون نیز از مشخصات مهم هستند. در نتیجه، طریقه ساخت کوره پیش گرم باید دقیقا بر اساس ظرفیت تولید، نوع محصول و شرایط بهره برداری تعیین شود.
کوره پیش گرم چگونه کار می کند؟
عملکرد کوره پیش گرم بر پایه انتقال کنترل شده حرارت به شمش، بیلت یا اسلب تا رسیدن به دمای مناسب نورد است. قطعه از بخش شارژ وارد کوره می شود و به تدریج از نواحی حرارتی مختلف عبور می کند. در بسیاری از طراحی ها ابتدا ناحیه پیش گرم قرار دارد که از حرارت گازهای خروجی برای افزایش تدریجی دمای شمش استفاده می کند. پس از آن قطعه وارد ناحیه گرم کردن می شود؛ جایی که مشعل ها انرژی بیشتری به سطح فولاد منتقل می کنند. در مرحله نهایی یا ناحیه هم دما سازی، هدف این است که اختلاف دمای سطح و مرکز مقطع تا حد ممکن کاهش پیدا کند تا شمش با شرایط حرارتی یکنواخت وارد خط نورد شود. این ترتیب به کنترل بهتر پیش گرم کوره و کاهش تنش های حرارتی کمک می کند.
انتقال قطعات در داخل کوره با توجه به نوع تجهیز می تواند به وسیله هل دادن شمش ها، تیرهای متحرک، رولرها یا مکانیزم های دیگر انجام شود. همزمان سیستم کنترل، دمای نواحی، مقدار سوخت، نسبت هوا به سوخت، فشار داخلی و زمان ماند قطعه را تنظیم می کند. در کوره پیش گرم گازی، انرژی حاصل از احتراق گاز طبیعی یا گازهای جانبی واحد فولادسازی از طریق تابش و جابجایی به قطعه منتقل می شود. کوره های جدید همچنین از پیش گرم کردن هوای احتراق و بازیابی حرارت دود برای کاهش مصرف سوخت استفاده می کنند. سامانه های کنترل پیشرفته نیز بر اساس ابعاد شمش، گرید فولاد و برنامه تولید، میزان حرارت ورودی را تنظیم می کنند تا دمای خروج پایدارتر، اکسیداسیون کمتر و مصرف انرژی مناسب تری حاصل شود.
اجزای اصلی کوره پیش گرم
اجزای اصلی کوره پیش گرم باید به شکلی هماهنگ کار کنند تا شمش یا بیلت با دمای یکنواخت و در زمان مناسب به خط نورد تحویل داده شود. بدنه و محفظه کوره نخستین بخش اصلی است که با آجرها و مواد نسوز عایق می شود تا اتلاف حرارتی کاهش پیدا کند. سیستم احتراق شامل مشعل ها، خطوط سوخت، هوای احتراق و تجهیزات تنظیم نسبت هوا به سوخت است و وظیفه تامین انرژی حرارتی را بر عهده دارد. در کوره پیش گرم گازی، آرایش صحیح مشعل ها اهمیت زیادی دارد، زیرا توزیع نامناسب شعله می تواند باعث ایجاد اختلاف دما در بخش های مختلف شمش شود. سامانه خروج دود و بازیافت حرارت نیز بخش مهم دیگری است که می تواند با استفاده از رکوپراتور یا تجهیزات مشابه، بخشی از انرژی گازهای خروجی را بازیابی کند و بازده کوره را افزایش دهد. Tenova نیز بازیابی حرارت، بهینه سازی احتراق و کاهش مصرف سوخت را از عوامل اصلی افزایش راندمان کوره های پیش گرم معرفی می کند.
سیستم جابجایی قطعه نیز با توجه به نوع کوره متفاوت است و می تواند شامل تیرهای ثابت و متحرک، رولرها، مکانیزم هل دهنده و تجهیزات شارژ و تخلیه باشد. در کوره پیش گرم گامی، مجموعه Walking Beam شمش را مرحله به مرحله درون کوره حرکت می دهد، در حالی که در مدل رولر هرث انتقال توسط رولرهای مقاوم به حرارت انجام می شود. علاوه بر این، ترموکوپل ها، سنسورهای فشار، تجهیزات اندازه گیری جریان سوخت، سیستم PLC و سامانه کنترل سطح بالاتر برای پایش دما و تنظیم فرآیند به کار می روند. Tenova در پروژه های جدید، تجهیزات شارژ و تخلیه، سامانه های الکتریکی، اندازه گیری و کنترل را جزو اجزای یکپارچه کوره نورد معرفی می کند. در طراحی کوره پیش گرم نورد، کیفیت نسوز، مکانیزم حمل، آرایش مشعل و سیستم کنترل باید متناسب با ظرفیت و نوع محصول انتخاب شوند.
انواع کوره پیش گرم
انواع کوره پیش گرم بر اساس روش جابجایی شمش، شکل محصول، ظرفیت تولید و نیاز حرارتی خط نورد دسته بندی می شوند. در صنایع فولاد، چهار مدل مهم شامل کوره پوشری، کوره پیش گرم گامی، کوره رولر هرث و کوره روتاری هرث هستند. کوره پوشری با هل دادن متوالی شمش ها در امتداد بستر کار می کند و به دلیل ساختار نسبتا ساده در بسیاری از خطوط نورد محصولات طویل استفاده می شود. در مدل Walking Beam، قطعات به وسیله تیرهای متحرک مرحله به مرحله جابجا می شوند؛ روشی که امکان کنترل بهتر زمان ماند، کاهش تماس شمش ها با یکدیگر و یکنواختی مناسب تر گرمایش را فراهم می کند. Danieli نیز کوره های Walking Beam و Pusher را در میان گزینه های اصلی برای خطوط نورد محصولات طویل و تخت معرفی می کند.
مدل Roller Hearth از مجموعه رولرهای مقاوم به حرارت برای انتقال پیوسته قطعات استفاده می کند و در گرم کردن یا نگهداری اسلب، صفحات و محصولات خاص کاربرد دارد. در مقابل، کوره Rotary Hearth دارای بستر چرخان دایره ای است و Tenova آن را برای پیش گرم کردن بیلت و بلوم پیش از نورد گرم یا فورج معرفی می کند. انتخاب میان این کوره های پیش گرم باید بر اساس ابعاد محصول، ظرفیت خط، انعطاف پذیری تولید، میزان مصرف انرژی و یکنواختی دمای مورد نیاز انجام شود. برای مثال، یک کوره پیش گرم بیلت در خط تولید میلگرد الزاما همان طراحی مورد استفاده برای اسلب های بزرگ را ندارد. در نتیجه، طراحی کوره پیش گرم نورد باید از ابتدا با نوع محصول و الگوی تولید کارخانه هماهنگ باشد.
کوره پیش گرم پوشری (Pusher Furnace)
کوره پیش گرم پوشری یکی از انواع رایج کوره های پیش گرم در خطوط نورد محصولات طویل است که در آن بیلت یا شمش ها به صورت متوالی وارد کوره شده و توسط مکانیزم هل دهنده به سمت خروجی حرکت می کنند. با ورود هر قطعه جدید، مجموعه شمش های موجود روی بستر کوره یک مرحله به جلو رانده می شوند. در طول این مسیر، بیلت از نواحی پیش گرم، گرم کردن و هم دما سازی عبور می کند تا به دمای مناسب برای نورد برسد. ساختار مکانیکی نسبتا ساده، ظرفیت تولید مناسب و امکان استفاده در خطوط میلگرد و وایرراد از دلایل رواج این مدل هستند. Danieli کوره های پوشری را در سبد کوره های پیش گرم خطوط محصولات طویل و تخت قرار می دهد و نمونه های جدید آن را با سیستم های احتراق پیشرفته برای دستیابی به گرمایش یکنواخت عرضه می کند.
با وجود مزایای اجرایی، نحوه حرکت شمش ها یکی از محدودیت های کوره پوشری محسوب می شود. تماس قطعات با بستر و یکدیگر می تواند محدودیت هایی در طول کوره، ابعاد محصول و انعطاف پذیری شارژ ایجاد کند؛ به همین دلیل برای برخی خطوط پیشرفته، کوره پیش گرم گامی انتخاب مناسب تری است. از سوی دیگر، طراحی صحیح مشعل ها، کنترل دمای خروج و مدیریت نسبت هوا به سوخت می تواند مصرف انرژی و تشکیل پوسته اکسیدی را کاهش دهد. فناوری های کنترلی جدید حتی برای کوره های پوشری از مدل سازی حرارتی و تنظیم خودکار دما استفاده می کنند. بنابراین هنگام انتخاب این نوع کوره نورد باید ظرفیت تولید، اندازه بیلت، تنوع محصولات، هزینه نگهداری و میزان مصرف سوخت به صورت همزمان بررسی شوند.
کوره پیش گرم گامی (Walking Beam Furnace)
کوره پیش گرم گامی یا Walking Beam Furnace یکی از پیشرفته ترین انواع کوره پیش گرم در خطوط نورد گرم است که برای گرم کردن بیلت، بلوم و اسلب به کار می رود. در این کوره، قطعات روی مجموعه ای از تیرهای ثابت و متحرک قرار می گیرند و تیرهای متحرک با یک حرکت مرحله ای، شمش را بلند کرده، به جلو انتقال می دهند و دوباره روی تیرهای ثابت قرار می دهند. این شیوه باعث می شود قطعات برخلاف کوره پوشری روی یکدیگر کشیده نشوند و تماس مستقیم میان شمش ها کاهش پیدا کند. در نتیجه، آسیب سطحی کمتر، کنترل بهتر زمان ماند و یکنواختی دمایی مطلوب تری حاصل می شود. Tenova کوره پیش گرم گامی را یکی از گزینه های مناسب برای دستیابی به ظرفیت تولید بالا و یکنواختی حرارتی مناسب معرفی می کند و برای نمونه های مخصوص بیلت، ظرفیت هایی تا حدود 270 تن در ساعت و برای کوره های اسلب ظرفیت هایی تا 450 تن در ساعت و بیشتر گزارش کرده است.
یکی دیگر از مزایای کوره پیش گرم گامی، انعطاف پذیری بالا در پردازش گریدها و ابعاد مختلف فولاد است. امکان کنترل مستقل نواحی حرارتی، تنظیم سرعت حرکت قطعات و استفاده از سیستم های پیشرفته احتراق، شرایط را برای کاهش مصرف سوخت و کنترل دمای خروج فراهم می کند. همچنین کاهش Skid Mark یا اختلاف دمای موضعی ناشی از تماس با تجهیزات نگهدارنده، از اهداف مهم طراحی این کوره ها است. البته مکانیزم حرکت تیرها، تجهیزات هیدرولیکی و اجزای نسوز باعث می شوند ساخت و نگهداری این مدل نسبت به کوره پوشری پیچیده تر و پرهزینه تر باشد. بنابراین در طراحی کوره پیش گرم نورد باید ظرفیت خط، تنوع محصولات، مصرف انرژی، کیفیت مورد انتظار و هزینه نگهداری به صورت همزمان بررسی شوند.
کوره پیش گرم رولر هرث (Roller Hearth Furnace)
کوره پیش گرم رولر هرث یا Roller Hearth Furnace نوعی کوره پیوسته است که در آن شمش، اسلب یا قطعه فولادی به وسیله مجموعه ای از رولرهای مقاوم به حرارت در طول کوره حرکت می کند. این ساختار امکان انتقال یکنواخت و کنترل شده محصول را فراهم می کند و به همین دلیل در برخی خطوط نورد، عملیات حرارتی و تولید محصولات تخت کاربرد دارد. یکی از مهم ترین نمونه های استفاده از این فناوری، کوره تونلی اسلب نازک است که بین ماشین ریخته گری مداوم و خط نورد نهایی قرار می گیرد. در چنین طراحی هایی، کوره پیش گرم علاوه بر رساندن اسلب به دمای مناسب نورد، نقش انتقال و ذخیره موقت محصول را نیز بر عهده دارد. Tenova دمای کاری رولرهای داخلی این کوره ها را برای خطوط اسلب نازک در محدوده حدود 1150 تا 1220 درجه سانتی گراد اعلام می کند.
در کوره رولر هرث مخصوص اسلب نازک، محصول می تواند پس از ریخته گری با دمای حدود 850 تا 1050 درجه سانتی گراد وارد کوره شود و در محدوده تقریبی 1150 تا 1200 درجه سانتی گراد به خط نورد تحویل داده شود. استفاده از شارژ گرم باعث کاهش انرژی مورد نیاز برای پیش گرم کوره و افزایش راندمان حرارتی می شود. کنترل سرعت رولرها، آرایش مشعل ها، یکنواختی دما و مقاومت تجهیزات در برابر حرارت از مهم ترین الزامات طراحی این کوره نورد هستند. مزیت اصلی رولر هرث، انتقال پیوسته، کنترل مناسب زمان ماند و قابلیت یکپارچه شدن با خطوط تولید مداوم است؛ با این حال، نگهداری رولرهای در معرض حرارت و سیستم مکانیکی انتقال نیز باید با دقت انجام شود.
کوره پیش گرم روتاری هرث (Rotary Hearth Furnace)
کوره پیش گرم روتاری هرث یا Rotary Hearth Furnace دارای یک بستر دایره ای چرخان است که شمش، بیلت یا بلوم روی آن قرار می گیرد و همزمان با چرخش کف کوره، از نواحی مختلف حرارتی عبور می کند. برخلاف کوره های خطی، مسیر حرکت ماده در این سیستم به صورت دایره ای است و همین ساختار امکان دستیابی به ظرفیت تولید بالا در فضای نسبتا فشرده را فراهم می کند. Tenova این نوع کوره را برای پیش گرم کردن بیلت و بلوم پیش از نورد گرم، فورج و به ویژه تولید لوله بدون درز معرفی می کند. کوره پیش گرم روتاری هرث می تواند یکنواختی دمایی مناسبی ایجاد کند و برای قطعات گرد یا کوتاه که باید قبل از تغییر شکل گرم شوند، گزینه کاربردی محسوب می شود.
در این کوره، سقف و دیواره ها ثابت هستند اما کف نسوز به وسیله سیستم مکانیکی با سرعت کنترل شده می چرخد. قطعات از درگاه شارژ وارد شده، روی مسیر مشخص حرکت می کنند و پس از رسیدن به دمای مورد نظر از محل تخلیه خارج می شوند. مشعل ها معمولا روی دیواره داخلی، خارجی یا سقف نصب می شوند تا گرمایش یکنواخت تری ایجاد شود. از مزایای این نوع کوره نورد می توان به ظرفیت مناسب، کنترل زمان ماند و امکان پردازش محصولات خاص اشاره کرد. در مقابل، سایش کف نسوز، تجمع پوسته اکسیدی و نیاز به نگهداری سیستم چرخش از چالش های آن هستند. Tenova کوره های روتاری هرث با قطرهایی تا حدود 67 متر را نیز گزارش کرده است؛ موضوعی که تنوع بالای طراحی این فناوری را نشان می دهد.
برای انتخاب مناسب میان انواع کوره پیش گرم، باید روش انتقال شمش، ظرفیت تولید، یکنواختی حرارتی، هزینه نگهداری و نوع محصول بررسی شود. هر کوره برای شرایط مشخصی طراحی شده و نمی توان یک مدل را برای تمام خطوط نورد مناسب دانست. جدول زیر تفاوت اصلی کوره های پوشری، گامی، رولر هرث و روتاری هرث را نشان می دهد.
| نوع کوره | روش جابجایی قطعه | مهم ترین مزیت | مهم ترین محدودیت | کاربرد متداول |
| کوره پوشری | هل دادن پیوسته شمش ها | ساختار ساده و هزینه اولیه مناسب | تماس شمش ها و انعطاف پذیری کمتر | بیلت، میلگرد و محصولات طویل |
| کوره پیش گرم گامی | حرکت مرحله ای با تیرهای متحرک | یکنواختی حرارتی و کنترل بهتر شمش | تجهیزات مکانیکی پیچیده تر و هزینه بالاتر | بیلت، بلوم، اسلب و خطوط ظرفیت بالا |
| کوره رولر هرث | حرکت روی رولرهای مقاوم به حرارت | انتقال پیوسته و مناسب خطوط مداوم | نیاز به نگهداری دقیق رولرها | اسلب نازک، صفحات و خطوط پیوسته |
| کوره روتاری هرث | حرکت روی بستر دایره ای چرخان | ظرفیت مناسب در فضای نسبتا فشرده | نگهداری بستر نسوز و مکانیزم چرخش | بیلت، بلوم، فورج و تولید لوله بدون درز |
کاربرد کوره پیش گرم
کاربرد کوره پیش گرم در صنعت فولاد، آماده سازی شمش، بیلت، بلوم و اسلب برای ورود به فرآیند نورد گرم است. فولاد در دمای محیط مقاومت زیادی در برابر تغییر شکل دارد و اگر بدون رسیدن به دمای مناسب وارد قفسه های نورد شود، نیروی بیشتری به تجهیزات وارد می کند و احتمال بروز عیوب سطحی یا تغییر شکل نامناسب افزایش می یابد. کوره پیش گرم فولاد با افزایش کنترل شده دمای قطعه، قابلیت تغییر شکل پلاستیک را بهبود می دهد و شرایط مناسب تری برای کاهش سطح مقطع یا تولید شکل نهایی فراهم می کند. Danieli کوره های پیش گرم را برای خطوط تولید میلگرد، وایرراد، مقاطع سبک و سنگین و همچنین محصولات تخت به کار می گیرد.
یکی دیگر از کاربردهای مهم کوره نورد، یکنواخت کردن دمای بخش های مختلف قطعه است. اگر سطح شمش بسیار گرم اما مرکز آن سردتر باشد، رفتار ماده هنگام عبور از غلتک ها یکنواخت نخواهد بود. به همین دلیل کوره باید علاوه بر افزایش دما، اختلاف حرارتی مقطع را تا حد قابل قبول کاهش دهد. این ویژگی در بیلت ها، بلوم ها و اسلب های بزرگ اهمیت بیشتری دارد. Tenova نیز یکنواختی دمایی بالا و انعطاف پذیری برای نیازهای مختلف خطوط نورد گرم را از ویژگی های اصلی کوره های پیش گرم معرفی می کند.
کوره های پیش گرم علاوه بر فولادهای کربنی برای فولاد زنگ نزن و برخی آلیاژهای خاص نیز استفاده می شوند. بسته به نوع کوره، این تجهیزات می توانند پیش از نورد گرم، فورج یا سایر فرآیندهای شکل دهی گرم به کار روند. در نتیجه، کاربرد کوره پیش گرم مستقیما با افزایش قابلیت شکل پذیری، حفظ کیفیت محصول و پایداری تولید ارتباط دارد.
دمای کوره پیش گرم چقدر است؟
دمای کوره پیش گرم به نوع فولاد، ابعاد شمش، دمای اولیه شارژ و شرایط مورد نیاز برای نورد بستگی دارد و یک عدد ثابت برای تمام خطوط وجود ندارد. در بسیاری از کوره های پیش گرم فولاد، شمش، بیلت یا اسلب تا حدود 1100 تا 1250 درجه سانتی گراد گرم می شود تا قابلیت تغییر شکل پلاستیک مناسبی پیدا کند. وزارت انرژی آمریکا برای کوره های متداول، دمای تقریبی 2100 درجه فارنهایت، معادل حدود 1150 درجه سانتی گراد را گزارش کرده است؛ در برخی خطوط صنعتی نیز اسلب ها از دمای محیط تا حدود 2300 درجه فارنهایت، یعنی نزدیک 1260 درجه سانتی گراد، گرم می شوند. بنابراین مقدار نهایی باید بر اساس گرید فولاد و برنامه نورد تنظیم شود.
دمای کوره نورد همچنین به نوع فرآیند شارژ وابسته است. برای مثال در کوره رولر هرث خطوط اسلب نازک، محصول ممکن است پس از ریخته گری با دمای حدود 850 تا 1050 درجه سانتی گراد وارد کوره شود و در دمای تقریبی 1150 تا 1200 درجه سانتی گراد به خط نورد تحویل داده شود. در عمل، فقط رسیدن به یک دمای بالا کافی نیست؛ یکنواختی حرارتی میان سطح، گوشه ها و مرکز شمش اهمیت بیشتری دارد. دمای بیش از حد می تواند اکسیداسیون، تشکیل پوسته، مصرف سوخت و حتی خطر آسیب متالورژیکی را افزایش دهد، در حالی که دمای پایین باعث افزایش نیروی نورد و کاهش شکل پذیری می شود. به همین دلیل کنترل دقیق دما یکی از مهم ترین وظایف سیستم اتوماسیون کوره پیش گرم نورد است.
مراحل پیش گرم کردن شمش فولادی
مراحل پیش گرم کردن شمش فولادی از لحظه ورود بیلت، بلوم یا اسلب به کوره آغاز می شود و تا رسیدن قطعه به دمای مناسب نورد ادامه دارد. در مرحله نخست، شمش از طریق میز شارژ وارد کوره پیش گرم می شود. اگر شمش با دمای بالا از ریخته گری مداوم به کوره برسد، انرژی کمتری برای گرم کردن آن نیاز است؛ اما در شارژ سرد، زمان ماند و مصرف سوخت افزایش پیدا می کند. در ادامه، شمش وارد ناحیه پیش گرم می شود و بخش قابل توجهی از انرژی گازهای داغ خروجی را جذب می کند. این مرحله باعث افزایش تدریجی دما و کاهش شوک حرارتی می شود. وزارت انرژی آمریکا زمان گرم کردن شمش و اسلب سرد بزرگ را در برخی کوره های متداول حدود 1.5 تا 3 ساعت گزارش کرده است.
در مرحله دوم، شمش وارد ناحیه گرم کردن می شود و مشعل ها انرژی بیشتری به آن منتقل می کنند تا دمای سطح و مرکز مقطع افزایش یابد. پس از آن، قطعه به ناحیه هم دما سازی یا Soaking می رسد؛ هدف این مرحله کاهش اختلاف دمای نقاط مختلف شمش و آماده سازی یکنواخت آن برای تغییر شکل است. کنترل زمان ماند در این قسمت اهمیت زیادی دارد، زیرا گرمایش بیش از اندازه می تواند میزان پوسته اکسیدی و اتلاف فلز را افزایش دهد.
در پایان، شمش از کوره پیش گرم نورد تخلیه شده و معمولا پس از پوسته زدایی به قفسه های نورد منتقل می شود. در کوره های پیشرفته، سرعت حرکت، دمای هر ناحیه و مقدار سوخت به صورت خودکار تنظیم می شوند تا دمای خروج پایدار، مصرف انرژی کمتر و کیفیت نورد مناسب تری حاصل شود.
مزایا و معایب کوره پیش گرم
کوره پیش گرم نقش مهمی در آماده سازی شمش برای نورد گرم دارد و استفاده صحیح از آن می تواند کیفیت محصول، پایداری فرآیند و راندمان خط را بهبود دهد. مهم ترین مزیت این تجهیز، رساندن شمش به دمای مناسب و ایجاد توزیع حرارتی یکنواخت در سطح و مرکز مقطع است. این شرایط باعث کاهش نیروی مورد نیاز برای تغییر شکل، بهبود عملکرد قفسه های نورد و کاهش احتمال ایجاد برخی عیوب ناشی از گرمایش نامناسب می شود. کوره های پیش گرم مدرن با کنترل دقیق احتراق، بازیابی حرارت دود و شارژ گرم می توانند مصرف ویژه سوخت را نیز کاهش دهند. نمونه های صنعتی جدید Walking Beam نشان داده اند که جایگزینی فناوری های قدیمی می تواند هم مصرف انرژی و هم هزینه نگهداری را کاهش دهد.
مزایای کوره پیش گرم:
- ایجاد دمای مناسب و یکنواخت برای نورد گرم
- افزایش قابلیت تغییر شکل شمش و کاهش بار تجهیزات نورد
- امکان کنترل ظرفیت و سرعت تولید
- قابلیت بازیابی حرارت و کاهش مصرف سوخت در طراحی های پیشرفته
- کمک به بهبود کیفیت سطح و ثبات فرآیند
معایب کوره پیش گرم:
- مصرف قابل توجه انرژی، به ویژه در شارژ سرد
- تشکیل پوسته اکسیدی روی سطح فولاد
- اتلاف بخشی از فلز بر اثر اکسیداسیون
- نیاز به نگهداری نسوز، مشعل و سیستم انتقال
- ایجاد آلاینده های احتراق در کوره های سوخت فسیلی
وزارت انرژی آمریکا گزارش می کند که در فرآیندهای متداول پیش گرم، حدود 1 تا 2 درصد فولاد ممکن است بر اثر اکسیداسیون به پوسته تبدیل شود. بنابراین بهره برداری صحیح از کوره پیش گرم نورد باید بر کنترل دما، زمان ماند، نسبت هوا به سوخت و کاهش تشکیل اکسید تمرکز داشته باشد.
عوامل موثر بر مصرف انرژی کوره پیش گرم
مصرف انرژی کوره پیش گرم به مجموعه ای از عوامل حرارتی، عملیاتی و طراحی وابسته است و فقط با کاهش مقدار سوخت کنترل نمی شود. یکی از مهم ترین عوامل، دمای اولیه شمش هنگام ورود به کوره است. هرچه شمش گرم تر شارژ شود، انرژی کمتری برای رساندن آن به دمای نورد نیاز خواهد بود. برای نمونه، Tenova در خطوط اسلب نازک نشان می دهد که شارژ محصول در دمای حدود 850 تا 1050 درجه سانتی گراد می تواند نسبت به شارژ سرد، بازده انرژی را به شکل محسوسی افزایش دهد. کیفیت عایق و نسوز، دمای خروج دود، ظرفیت واقعی تولید، مدت توقف خط و میزان بارگذاری کوره نیز بر مصرف ویژه انرژی اثر دارند. اگر کوره با ظرفیت بسیار پایین کار کند، تلفات ثابت حرارتی بین مقدار کمتری محصول تقسیم می شوند و مصرف انرژی به ازای هر تن افزایش پیدا می کند.
عامل مهم دیگر، تنظیم نسبت هوا به سوخت است. ورود هوای اضافی باعث کاهش دمای شعله و افزایش حجم گازهای خروجی می شود و در نتیجه انرژی بیشتری از دودکش تلف خواهد شد. همچنین نفوذ هوای سرد از درها و منافذ کوره می تواند راندمان را کاهش دهد. استفاده از رکوپراتور یا سیستم های مشابه برای پیش گرم کردن هوای احتراق، یکی از روش های موثر بازیابی حرارت دود است. تنظیم صحیح فشار داخلی کوره، کنترل زمان ماند شمش، جلوگیری از گرمایش بیش از حد و برنامه ریزی مناسب تولید نیز اهمیت زیادی دارند. در کوره های پیش گرم جدید، سیستم اتوماسیون مقدار سوخت و دمای هر ناحیه را متناسب با ابعاد و گرید شمش تنظیم می کند تا مصرف انرژی کاهش یابد. بنابراین بهره وری کوره پیش گرم فولاد نتیجه هماهنگی طراحی، نگهداری و کنترل دقیق فرآیند است.
نکات مهم در انتخاب کوره پیش گرم
انتخاب کوره پیش گرم باید از نیاز واقعی خط تولید آغاز شود، زیرا ظرفیت، نوع محصول و برنامه نورد مستقیما بر طراحی تجهیز اثر می گذارند. ابتدا باید مشخص شود کوره برای بیلت، بلوم یا اسلب استفاده خواهد شد و ابعاد، گرید و دمای ورودی محصولات چه محدوده ای دارند. ظرفیت مورد نیاز بر حسب تن در ساعت نیز معیار مهمی است؛ برای نمونه Tenova برای کوره های Walking Beam بیلت ظرفیت هایی تا حدود 270 تن در ساعت و برای مدل های اسلب تا 450 تن در ساعت و بیشتر اعلام می کند. یکنواختی دمای خروج، زمان ماند، محدودیت فضای کارخانه و انعطاف پذیری در تغییر ابعاد محصول نیز باید بررسی شوند. در خطوطی که تنوع محصول و کیفیت گرمایش اهمیت بالایی دارد، کوره پیش گرم گامی می تواند نسبت به مدل های ساده تر مزیت بیشتری داشته باشد.
نوع سوخت و راندمان انرژی معیار بعدی است. استفاده از مشعل های کم آلاینده، سیستم بازیابی حرارت، کنترل خودکار احتراق و مدل سازی حرارتی می تواند مصرف سوخت و تشکیل پوسته را کاهش دهد. همچنین قیمت کوره پیش گرم نباید تنها بر اساس هزینه خرید اولیه مقایسه شود؛ هزینه نصب، نسوز، تعمیرات، سوخت، قطعات مکانیکی و اتوماسیون نیز بر هزینه کل مالکیت تاثیر دارند. اگر پروژه مربوط به فلزات غیرآهنی باشد، شرایط کاملا تغییر می کند؛ برای مثال طراحی کوره پیش گرم بیلت آلومینیوم باید متناسب با محدوده دمایی و رفتار حرارتی آلومینیوم انجام شود و نمی توان مشخصات کوره فولاد را مستقیما برای آن به کار برد. در نهایت، دسترسی به خدمات تعمیراتی، قابلیت توسعه ظرفیت و سازگاری با سیستم کنترل خط نورد نیز باید پیش از انتخاب نهایی ارزیابی شوند.
کوره پیش گرم یکی از تجهیزات اصلی خطوط نورد گرم است که وظیفه دارد شمش، بیلت یا اسلب را پیش از تغییر شکل به دمای مناسب و یکنواخت برساند. نوع محصول، ظرفیت خط، دمای کاری، روش جابجایی و میزان مصرف انرژی از عوامل اصلی در انتخاب کوره نورد هستند. کوره های پوشری، گامی، رولر هرث و روتاری هرث هر کدام برای شرایط مشخصی طراحی شده اند و از نظر هزینه، راندمان و کیفیت گرمایش تفاوت دارند. در طراحی کوره پیش گرم نورد باید علاوه بر ظرفیت، به یکنواختی دما، کیفیت نسوز، نوع سوخت، کنترل احتراق و بازیابی حرارت توجه شود. انتخاب و بهره برداری صحیح از کوره پیش گرم فولاد می تواند مصرف سوخت، تشکیل پوسته اکسیدی و هزینه تولید را کاهش دهد و کیفیت نهایی محصولات نوردی را بهبود بخشد.
سوالات متداول
کوره پیش گرم برای رساندن شمش، بیلت یا اسلب فولادی به دمای مناسب نورد گرم استفاده می شود. این فرآیند شکل پذیری فولاد را افزایش می دهد و شرایط یکنواخت تری برای عبور ماده از قفسه های نورد ایجاد می کند.
کوره پیش گرم قطعه را به صورت مرحله ای از ناحیه پیش گرم، گرم کردن و هم دما سازی عبور می دهد. مشعل ها و گازهای داغ، حرارت لازم را تامین می کنند تا سطح و مرکز شمش به دمای مناسب نزدیک شوند.
از مهم ترین انواع کوره پیش گرم می توان به کوره پوشری، کوره پیش گرم گامی، رولر هرث و روتاری هرث اشاره کرد. تفاوت آن ها بیشتر در روش جابجایی شمش، ظرفیت، یکنواختی حرارتی و کاربرد است.
کوره پیش گرم شمش تجهیزی است که شمش فولادی را پیش از نورد یا فورج گرم می کند. این کوره باید دمای قطعه را به حدی برساند که تغییر شکل با نیروی کمتر و کیفیت مناسب انجام شود.
دمای کوره های پیش گرم فولاد معمولا در محدوده تقریبی 1100 تا 1250 درجه سانتی گراد قرار دارد، اما مقدار دقیق به گرید فولاد، ابعاد شمش و شرایط فرآیند بستگی دارد.
کوره نورد پیش گرم وظیفه دارد فولاد را به دمای مناسب تغییر شکل پلاستیک برساند و اختلاف دمای سطح و مرکز مقطع را کاهش دهد تا نورد با پایداری و کیفیت بیشتری انجام شود.
بدنه و نسوز، مشعل ها، سیستم سوخت و هوا، تجهیزات شارژ و تخلیه، مکانیزم جابجایی شمش، دودکش، تجهیزات بازیابی حرارت، ترموکوپل ها و سیستم کنترل از اجزای اصلی کوره پیش گرم هستند.
شمش ابتدا وارد ناحیه پیش گرم می شود، سپس در ناحیه گرم کردن دمای آن افزایش پیدا می کند و در مرحله هم دما سازی، اختلاف دمای بخش های مختلف آن کاهش می یابد. در پایان، شمش برای نورد تخلیه می شود.
گرمایش یکنواخت باعث بهبود شکل پذیری فولاد، کاهش نوسان نیروی نورد و کنترل بهتر ابعاد محصول می شود. در مقابل، پیش گرم کوره نامناسب می تواند باعث اختلاف دمایی، افزایش پوسته اکسیدی و افت کیفیت شود.
دمای اولیه شمش، ظرفیت بهره برداری، کیفیت عایق و نسوز، نسبت هوا به سوخت، دمای دود خروجی، میزان هوای اضافی، زمان ماند و استفاده از سیستم بازیابی حرارت از مهم ترین عوامل موثر بر مصرف انرژی کوره پیش گرم هستند.
