Удосконалення роботи печей безперервної дії прокатного виробництва з метою енергозбереження

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна металургійна академія України

УДК 669.1:621.783.23/24

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Удосконалення роботи печей безперервної дії прокатного виробництва з метою енергозбереження

05.16.02 - “Металургія чорних металів”

Гупало Олена В'ячеславівна

Дніпропетровськ 2005

Загальна характеристика роботи

піч безперервна дія енергозбереження

Актуальність роботи. За нашого часу від загальної кількості природного газу, що споживається Україною, 12,8 % припадає на долю чорної металургії. Нагрівальні пристрої, як складова частина основного устаткування прокатних станів, є вагомими споживачами палива. Питома витрата теплоти на нагрівання заготовок перед обробкою тиском складає 1200 - 2650 кДж/кг. Тому задача економії палива в прокатних цехах, особливо природного газу, якій імпортується Україною з країн ближнього зарубіжжя, здобуває першорядне значення, оскільки напряму пов'язана з собівартістю готової продукції, отже з її конкурентноздатністю на світовому ринку. При обмежених інвестиційних можливостях підприємств у розвиток виробництва і технічне переозброєння удосконалення роботи нагрівальних печей безперервної дії прокатного виробництва шляхом розробки та впровадження енергозберігаючих технологій нагрівання металу здобуває особливу актуальність, оскільки їх промислова реалізація здійснюється, як правило, без великих капітальних витрат.

Зв'язок роботи з науковими програмами і планами. Розглянуті в дисертаційній роботі питання відповідають Державній програмі розвитку гірничо-металургійного комплексу України до 2010 р., положенням комплексної державної програми енергозбереження, "Основним напрямкам державної політики України" в області забезпечення екологічної безпеки, а також напрямкам наукової діяльності НМетАУ.

Мета і завдання дослідження.

Мета роботи: енергозбереження при нагріванні металу в печах безперервної дії прокатного виробництва.

Об'єкт дослідження - нагрівальні печі безперервної дії з розподіленим підведенням палива.

Предмет дослідження - теплові та масообмінні процеси в нагрівальних печах безперервної дії прокатних станів та ліній гарячого цинкування.

Завдання дослідження:

виконати аналіз сучасного стану нагрівальних печей прокатного виробництва та методів їх розрахунку;

виконати теоретичні дослідження теплообміну в прямо- і протитечії з урахуванням теплових втрат в навколишнє середовище і на їх основі розробити методику розрахунку теплової роботи нагрівальних печей безперервної дії з розподіленим підведенням палива;

розробити енергозберігаючі технології нагрівання металу в кільцевій печі для різної продуктивності при ритмічній та неритмічній роботі прокатного стану;

виконати експериментальні та теоретичні дослідження теплових і масообмінних процесів при нагріванні офлюсованих труб;

розробити енергозберігаючу технологію нагрівання офлюсованих труб перед гарячим цинкуванням, що забезпечує задану продуктивність з урахуванням реальних обмежень.

Методи дослідження. У роботі використано: метод математичного моделювання для дослідження теплових процесів в нагрівальних печах безперервної дії; лабораторні експерименти для дослідження процесів тепло- і масообміну при нагріванні зразків офлюсованих труб.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Уточнено умови передачі теплоти в методичній зоні нагрівальної печі безперервної дії з урахуванням впливу втрат теплоти в навколишнє середовище на температуру пічних газів і металу, що дозволило підвищити точність визначення кінцевих параметрів нагріву металу і температури продуктів згоряння, що відходять з печі.

2. Для опалювальних зон методичних та кільцевих печей вперше встановлено необхідні умови генерації і передачі теплоти від продуктів згоряння палива до металу, що дозволяють забезпечити заданий графік нагрівання і раціональне використання теплоти палива в умовах неритмічної роботи прокатного стану.

3. Вперше досліджено теплові процеси в нагрівальній печі лінії гарячого цинкування труб, що дозволило розробити нетрадиційну схему теплоагрегату, яка забезпечує якісне захисне покриття поверхні виробів та ефективне використання теплоти.

Обґрунтованість і достовірність наукових положень, висновків і рекомендацій забезпечується використанням класичної теорії теплопровідності та законів теплообміну для побудови математичних моделей, що описують теплові процеси при нагріванні металу, а також підтверджується достатньою збіжністю результатів розрахунку процесу нагрівання заготовок в кільцевій печі, отриманих з використанням розробленої методики, з результатами експериментальних досліджень, опублікованими іншими дослідниками у науково-технічній літературі.

Наукове значення роботи полягає у розвитку теорії теплообміну в нагрівальних печах безперервної дії та уявлень про особливості теплових і масообмінних процесів, які відбуваються при нагріванні офлюсованих труб перед гарячим цинкуванням. Використання отриманих наукових результатів дозволяє підвищити економічність роботи нагрівальних печей безперервної дії шляхом розробки енергозберігаючих технологій нагрівання металу.

Практичне значення отриманих результатів. У роботі запропоновано:

- методику розрахунку теплової роботи печей безперервної дії з розподіленим підведенням палива, яка заснована на отриманих автором закономірностях зміни температур металу, продуктів згоряння і витрати палива в протитечії;

- енергозберігаючі режими нагрівання металу в кільцевій печі при ритмічній роботі прокатного стану з різною продуктивністю для умов ТПЦ-4 ВАТ "НТЗ";

- спосіб управління нагріванням металу в печі безперервної дії з розподіленим підведенням палива, який забезпечує задану якість нагріву та економію палива при коливаннях продуктивності прокатного стану в діапазоні 100 - 40 %;

- методику розрахунку процесів тепло- і масообміну в нагрівальній печі лінії гарячого цинкування труб;

- енергозберігаючу технологію нагрівання офлюсованих труб перед гарячим цинкуванням для умов ВАТ "Комінмет".

Результати роботи використано ВАТ "Комінмет" при виборі конструкції печі для нагрівання офлюсованих труб на стадії передпроектних проробок дільниці гарячого цинкування. Запропоновані енергозберігаючі режими нагрівання металу в кільцевій печі передбачається використати для розробки технічного завдання на реконструкцію АСУ ТП кільцевих нагрівальних печей ТПЦ- 4 ВАТ "НТЗ". Розроблені автором методики розрахунків можуть використовуватися інститутом “Укрдіпромез” для проробки варіантів конструкцій нових та реконструкції діючих печей, а також використовуються в навчальному процесі НМетАУ при виконанні науково-дослідних робіт студентів, дипломних проектів і дипломних робіт.

Особистий внесок здобувача. Теоретичні та експериментальні дослідження, їх обробка, а також узагальнення отриманих результатів виконано автором самостійно. Отримані здобувачем розв'язки задач теплообміну в прямо- і протитечії опубліковано в роботах [1-3, 6, 8]. Результати виконаних здобувачем досліджень теплової роботи кільцевої печі при різних способах управління нагріванням металу і порівняльна оцінка їх ефективності опубліковано в роботах [7, 9]. Розроблена здобувачем методика розрахунку тепломасообміну в печі лінії гарячого цинкування і результати експериментальних досліджень тепломасообміну при нагріванні зразків офлюсованих труб, отримані здобувачем, опубліковано в статті [4]. У роботі [5] на основі виконаних автором досліджень тепломасообмінних процесів в печі лінії гарячого цинкування запропоновано енергозберігаючу прямо-протитечійну схему печі для умов ВАТ "Комінмет".

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи повідомлено на міжнародних наукових конференціях: "Сучасні проблеми науки та освіти" (м. Алушта, 2005); "Теплотехніка та енергетика в металургії" (м. Дніпропетровськ, 2002); "Проблеми пічної теплотехніки" (м. Дніпропетровськ, 1999); "Energetickй premeny v priemycle" (Kosice, Slovakija, 1998).

Публікації. Основні результати роботи викладено в 7 статтях, опублікованих у наукових журналах і збірниках наукових праць, що входять до відповідного переліку ВАК.

Структура дисертації. Робота складається із вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел та додатків; викладена на 206 сторінках і містить 57 рисунків, 18 таблиць та 5 додатків. Список використаних літературних джерел включає 122 найменування.

Роботу виконано на кафедрі теплотехніки та екології металургійних печей Національної металургійної академії України.

Основний зміст роботи

Аналіз сучасного стану нагрівальних печей безперервної дії та методів їх розрахунку

Аналіз науково-технічної літератури показав, що основними заходами, спрямованими на зниження енергоспоживання печами, є удосконалення існуючих та розробка нових енергозберігаючих режимів нагрівання металу, впровадження яких, як правило, не потребує значних інвестицій, а також розробка та впровадження сучасних АСУ ТП з використанням мікропроцесорної техніки і управляючих ЕОМ .

Для дослідження теплової роботи печей використовуються математичні моделі, засновані на теорії теплообміну в шарі, що рухається. У розвиток цієї теорії внесли вагомий вклад Б.І. Кітаєв, Е.М. Гольдфарб, Ю.Г. Ярошенко, В.Й. Губинський, Ю.С. Постольник, В.І. Тімошпольський, В.М. Ольшанський та інші науковці. Оскільки більшість відомих аналітичних розв'язків задач теплообміну в прямо- і протитечії отримано без урахування втрат теплоти робочим простором, які можуть досягати 20 - 30 % від підведеної теплоти, то їх використання для розрахунку нагрівання металу може призводити до перекручення кінцевих результатів та динаміки процесу. Ця обставина обґрунтовує необхідність подальшого уточнення математичного опису процесу теплообміну в шарі, що рухається, з урахуванням теплових втрат.

Для нагрівання офлюсованих труб перед гарячим цинкуванням, як правило, застосовуються печі безперервної дії. Процес нагрівання супроводжується випаром вологи з плівки флюсу, що покриває поверхню виробу, і є досить енергоємним та істотно впливає на якість і собівартість готової продукції. Аналіз науково-технічної літератури показав, що динаміка процесів тепломасообміну, які відбуваються в робочому просторі печей, вивчена недостатньо. Відсутність у літературі даних, необхідних для розрахунку випару вологи з розчину флюсу високої концентрації в процесі нагрівання, обґрунтовує необхідність виконання експериментальних досліджень і розробки методики розрахунку тепломасообмінних процесів в печі при прямо- і протитечійній схемах підведення теплоносіїв.

Теоретичні дослідження теплообміну в прямо- і протитечії з урахуванням теплових втрат

З метою удосконалення математичного опису теплової роботи печей безперервної дії отримано аналітичні розв'язки задач нагрівання термічно тонких (ТТТ) і термічно масивних (ТМТ) тіл найпростіших форм у прямо- і протитечії при зосередженому підведенні гріючого газу та нелінійних граничних умовах 3-го роду. Новим елементом у розв'язках задач є урахування теплових втрат в навколишнє середовище.

Математична постановка задачі нагрівання ТТТ включає рівняння, отримані з рівнянь теплових балансів по металу і гріючому газу. Задача розв'язана методом розділення змінних і дозволяє визначати розподіл температур металу і гріючого газу уздовж зони теплообміну.

Математична постановка задачі нагрівання термічно масивних тіл (ТМТ) має вигляд:

; (1)

; ; (2)

, (3)

де верхній знак для протитечії, нижній - для прямотечії.

Початкові умови: , - для прямотечії;

, - для протитечії.

Тут - температура металу; X - координата тіла (0?X?1); Fo - число Фур'є; - коефіцієнт форми тіла; Sk - число Старка; , - температура гріючого газу і середньомасова температура металу; - температура продуктів згоряння на вході в зону теплообміну, К; ; - для прямотечії; - для протитечії; - відношення водяних еквівалентів металу і гріючого газу; - коефіцієнт теплових втрат.

Розв'язок задачі є наближеним, його отримано методом розділення змінних на основі відомих закономірностей регулярного режиму нагрівання у сполученні з тепловим балансом, записаним для середньомасової температури тіла. Розв'язок дозволяє визначати зміну температури гріючого газу і середньомасової температури металу в ході процесу, а також розподіл температур по перетину тіла.

Отримано наближений аналітичний розв'язок задачі нагрівання тіл найпростіших форм в прямо- і протитечії при зосередженому підведенні гріючого газу і лінійних граничних умовах 3-го роду, який відрізняється від відомих розв'язків урахуванням втрат теплоти в навколишнє середовище і використанням коефіцієнту масивності для характеризування тіл, що нагріваються. Математична постановка задачі включає рівняння, отримані з рівнянь теплових балансів по металу та гріючому газу. Розв'язок отримано в простій формі методом розділення змінних. Він дозволяє визначати розподіл температур металу та гріючого газу уздовж зони теплообміну.

Вперше розв'язано задачу нагрівання тіл найпростіших форм у прямо- і протитечії з розподіленим підведенням палива уздовж зони теплообміну при лінійних граничних умовах 3-го роду з урахуванням втрат теплоти в навколишнє середовище, математична постановка якої має вигляд:

; (4)

, (5)

де верхній знак для протитечії, нижній - для прямотечії;

. (6)

Початкова умова: .

Тут і - температура продуктів згоряння і середньомасова температура металу; - стандартна калориметрична температура продуктів згоряння, С; Bi - число Біо; m - коефіцієнт масивності; - відношення поточного значення витрати палива до максимально можливого; - коефіцієнт теплових втрат; - коефіцієнт теплопередачі через кладку печі, Вт/(м²К); - площа поверхні кладки, м²; - половина товщини пластини, радіус циліндра чи кулі, м; - маса металу в зоні, кг; - середня питома теплоємність металу, Дж/(кгК); a - коефіцієнт температуропровідності металу, м²/с; і - коефіцієнти рівняння (6); , , - безрозмірні комплекси; - теплота згоряння палива, Дж/м³; - теплота продуктів згоряння, що виходять з печі, Дж/м³; - питомий вихід продуктів згоряння, м³/м³; - середня питома теплоємність продуктів згоряння, Дж/(м³К); - коефіцієнт рекуперації теплоти; П - продуктивність, кг/с.

Розв'язок отримано методом розділення змінних і він відрізняється можливістю розрахунку розподілу витрати палива та температури гріючого газу уздовж зони теплообміну для забезпечення заданої закономірності зміни середньомасової температури металу.

При розв'язанні всіх перерахованих вище задач прийнято наступні допущення: теплофізичні властивості металу, газу і кладки постійні; тепловиділення в металі відсутнє; тіла, що нагріваються, мають рівномірний початковий розподіл температури.

Дослідження процесу нагрівання металу в протитечійній зоні печі безперервної дії дозволило установити, що теплові втрати суттєво впливають на результат теплообміну при відношенні водяних еквівалентів металу та гріючого газу більше 0,3. Наприклад, при нагріванні масивних сталевих циліндричних злитків з W = 0,8 і = 0,1 відносна похибка при визначенні тривалості нагрівання до заданої кінцевої середньомасової температури без урахування теплових втрат складає 28 %, а при визначенні температури продуктів згоряння, що відходять - 14 %. Для W = 0,2 і = 0,1 відносна похибка складає - 3,2 % та 1,7 % відповідно.

Найбільш вірогідно динаміка процесу нагрівання металу в протитечійних зонах печей безперервної дії може бути описана за допомогою теорії теплообміну у шарі, що рухається, при нелінійних граничних умовах.

Виконання розрахунку нагрівання металу в опалювальних зонах без урахування теплових втрат призводить до визначення заниженого значення витрати палива і завищеної величини W, що, у свою чергу, сприяє виникненню помилки при визначенні температури продуктів згоряння, що виходять з печі, та тривалості нагрівання в методичній зоні. Розрахунки показують, що відносна похибка при визначенні загальної витрати палива у випадку зневаги втратами теплоти в опалювальних зонах може досягати 20 - 30 % в залежності від умов теплообміну і конструкції печі.

Отримані аналітичні розв'язки можуть використовуватися для розрахунків нагрівання металу в кільцевих, методичних, роликових та інших печах безперервної дії.

Розробка методики розрахунку теплової роботи печей безперервної дії з розподіленим підведенням палива

При виконанні розрахунку в печі виділяються дві зони теплообміну за характером теплових процесів, що в них відбуваються. У першій за ходом руху металу (методичній) зоні динаміка процесу нагрівання описується з використанням розв'язку задачі нагрівання ТМТ у протитечії при зосередженому підведенні гріючого газу та нелінійних граничних умовах, а в опалювальних зонах печі (зварювальних і томильній) - розв'язку задачі нагрівання тіл у протитечії при розподіленому підведенні палива та лінійних граничних умовах теплообміну.

У якості загальних вихідних даних задаються: геометричні розміри заготовок і печі; поточна і максимально можлива продуктивність печі; довжини методичної та опалювальних зон; вид палива та його максимально можлива витрата; середні значення теплофізичних властивостей металу, продуктів згоряння і кладки на розрахункових ділянках; коефіцієнт рекуперації теплоти та орієнтовне значення температури продуктів згоряння, що виходять з печі. Вихідними даними для розрахунку опалювальних зон є: середньомасова температура металу на вході в зони та закономірність її зміни; кінцеві параметри нагріву металу; коефіцієнти тепловіддачі. Для розрахунку методичної зони задаються: температура посаду металу; коефіцієнт випромінювання, віднесений до температури продуктів згоряння; коефіцієнт втрат теплоти робочим простором.

При розрахунку визначаються: розподіл витрати палива, зміна температур металу (поверхні, центра, середньомасової) та продуктів згоряння уздовж печі, тривалість нагрівання металу в методичній зоні і температура продуктів згоряння, що виходять з печі. У випадку, коли розрахункове значення тривалості нагрівання металу в методичній зоні не відповідає її фактичному значенню при заданій продуктивності, виконується коректування коефіцієнтів закономірності зміни середньомасової температури металу уздовж опалювальних зон зі зменшенням, або збільшенням середньомасової температури на вході в ці зони. Одночасно уточнюються значення теплофізичних властивостей матеріалів і продуктів згоряння, а також коефіцієнти теплообміну в зонах. Таким чином, для заданої продуктивності печі та кінцевих параметрів нагріву металу методом послідовних наближень відбувається стикування розв'язків двох задач на межі розрахункових зон. При необхідності підтримки постійного розподілу середньомасової температури металу уздовж опалювальних зон не залежно від коливань продуктивності, коректування коефіцієнтів рівняння (6) здійснюються у вигляді:

;

де і - коефіцієнти залежності =(Fo), які відповідають максимально можливій продуктивності печі ().

З використанням запропонованої методики виконано розрахунок теплової роботи кільцевої печі вісепрокатного стану ДМК ім. Дзержинського при нагріванні заготовок діаметром 230 мм, довжиною 1900 мм зі Ст ОСВ з продуктивністю 30 т/г. Порівняння результатів розрахунку з експериментальними даними професора В.І. Тімошпольського та ін. показало, що найбільша похибка при визначенні температури заготовок в процесі нагрівання склала 14 % і мала місце в області значень температур металу 700 - 800 °С. Розбіжність між експериментальними та розрахунковими даними пояснюється структурними перетвореннями в сталі в зазначеному інтервалі температур, які не враховуються при розрахунках через усереднення теплофізичних властивостей металу. Максимальна похибка при визначенні витрати палива склала 3 %. У цілому порівняння показало задовільну збіжність результатів розрахунку з експериментальними даними і придатність методики розрахунку для виконання подальших досліджень.

Розробка енергозберігаючих технологій нагрівання металу в кільцевій печі для умов ТПЦ-4 ВАТ "нтз"

З використанням запропонованої методики розрахунку виконано дослідження теплової роботи кільцевої печі в умовах ритмічної та неритмічної роботи прокатного стану з продуктивністю 65,7 - 25 т/г при нагріванні циліндричних злитків перед прошивним пресом зі Ст 20 діаметром 425 мм, довжиною 1600 мм до кінцевої температури поверхні 1270 °С з максимальним перепадом температур по перетину злитка 20 °С. Піч опалюється природним газом з теплотою згоряння 33,96 МДж/м³, коефіцієнт рекуперації теплоти - 0,3. При максимальній продуктивності (65,7 т/г) нагрівання здійснюється за двозонним температурним режимом.

Розроблено режими нагрівання металу для умов ритмічної роботи прокатного стану і двох варіантів теплової роботи кільцевої печі: 1) при постійній довжині опалювальних зон; 2) зі зміною довжини опалювальних зон..

Перший варіант нагрівання металу здійснюється шляхом змінювання температури продуктів згоряння уздовж печі в залежності від продуктивності.

Другий варіант нагрівання ведеться за двозонним температурним режимом, а співвідношення довжин опалювальних і неопалювальних зон вибирається за умови забезпечення заданої продуктивності та кінцевих параметрів нагріву металу. Зміна довжини опалювальних зон здійснюється за рахунок відключення чи включення частини пальникових пристроїв, або цілих зон опалення в залежності від продуктивності печі. У цілому при зниженні продуктивності від максимальної (65,7 т/г) до 25 т/г довжина опалювальних зон скорочується з 54,2 до 17,3 м. Режими нагрівання металу зі зміною довжини опалювальних зон (варіант 2) є енергозберігаючими та забезпечують тим більшу економію палива, у порівнянні з режимами нагрівання при постійній довжині опалювальних зон (варіант 1), чим нижче продуктивність печі. Максимальна економія складає 9,1 кгуп/т (17,6 %) при зниженні продуктивності до 25 т/г.

Для промислової реалізації запропонованих режимів нагрівання металу в кільцевій печі з постійною довжиною опалювальних зон розроблено завдання для управляючого мікропроцесора на температуру печі в зонах регулювання у вигляді поліномів другого ступеня в залежності від продуктивності печі для двох перших (за ходом руху металу) опалювальних зон. В інших зонах регулювання температура може бути задана у вигляді лінійної залежності від продуктивності печі.

Для реалізації режимів нагрівання зі зміною довжини опалювальних зон розроблено завдання на кількість відключених пальникових пристроїв у залежності від продуктивності. Завдання на температуру печі в зонах регулювання представлені таблицею.

В реальних виробничих умовах робота прокатного стану характеризується частими змінами темпу прокату, викликаними затримками і зупинками виробництва з технологічних причин, унаслідок чого продуктивність змінюється в широкому діапазоні. Однак, не зважаючи на це, необхідно забезпечити задану якість нагріву металу при видачі (кінцеві температуру поверхні і перепад температур по перетину злитка) не гірше, ніж при максимальній продуктивності. Поставлена умова виконується, згідно даним робот М.Д. Клімовицького, коли розподіл середньомасової температури металу уздовж опалювальних зон не змінюється при коливаннях темпу видачі і відповідає розподілу при максимальній продуктивності печі.

У роботі запропоновано два способи управління нагріванням металу в кільцевій печі, що забезпечують задану якість нагрівання незалежно від коливань продуктивності прокатного стану. Перший спосіб управління здійснюється при постійній довжині опалювальних зон і реалізується за рахунок спалювання палива в перших за ходом руху металу опалювальних зонах печі з підвищеним коефіцієнтом витрати повітря, що змінюється від 1,1 до 1,8 при зменшенні продуктивності від 65,7 до 25 т/г. Другий спосіб управління здійснюється шляхом зміни довжини опалювальних зон у залежності від продуктивності за рахунок включення чи відключення додаткових пальникових пристроїв, розташованих наприкінці методичної зони. При зниженні продуктивності від 65,7 до 25 т/г довжина методичної зони скорочується, загальна довжина опалювальних зон збільшується на 4,6 м, при цьому в роботу включаються 4 додаткових пальники, а температура в зонах регулювання зменшується. При зміні продуктивності в інтервалі 65,7 - 25 т/г розподіл середньомасової температури металу уздовж методичної зони при способі управління 2 залишається практично постійним, на відміну від способу 1. Крім того, спосіб управління 2 є енергозберігаючим в порівнянні зі способом 1 і забезпечує максимальну економію палива 11 кгуп/т (17 %) при зменшенні продуктивності до 25 т/г. Однак, спосіб 1 може бути реалізований без конструктивних змін печі.

Для промислової реалізації запропонованих способів управління розроблено завдання для управляючих мікропроцесорів на температуру печі в зонах регулювання, які апроксимовано для двох перших за ходом руху металу опалювальних зон у вигляді поліномів другого ступеня, а для інших зон - лінійною залежністю від продуктивності печі. Для реалізації способу управління 2 розроблено завдання на кількість працюючих пальників першої опалювальної зони, а для способу управління 1- завдання на співвідношення "паливо-повітря" в перших опалювальних зонах в залежності від продуктивності печі.

Розробка енергозберігаючої технології нагрівання труб перед гарячим цинкуванням для умов ВАТ "Комінмет"

Виконано експериментальні дослідження тепломасообміну при нагріванні зразків офлюсованих труб діаметром 21,3 мм з товщиною стінки 2 мм, довжиною 74 мм в лабораторній печі камерного типу при температурах печі 160, 190 і 225 °С. Як флюс використовувався водяний розчин хлористого цинку і хлористого амонію, у якому частка ZnCl₂ за масою складає 46 %, частка NH₄Cl - 8 %, H₂O з добавкою синтанолу в кількості 3 - 5 г/л - 46 %. В процесі нагрівання температура зразків вимірювалась безперервно, а втрата маси - методом безперервно-дискретного зважування.

Для кожної температури печі проведена серія з п'яти експериментів, результати яких представлені на рис. 4 у вигляді залежностей відносної маси вологи, що випарувалася з розчину флюсу, від температури зразків. (D _v являє собою відношення маси вологи, що випарувалася, до маси вологи, яка міститься у флюсі вихідної концентрації). Аналіз експериментальних даних дозволив зробити висновок про те, що, за інших рівних умов, швидкість випаровування вологи з плівки флюсу визначається швидкістю нагрівання зразків. При цьому для інженерної практики можна припустити, що відносна маса вологи, яка випарувалася, зв'язана з температурою труби експоненціальною залежністю

, (7)

де - - емпіричні коефіцієнти.

Розроблено математичну модель тепло-масообміну в прямо- або протитечійній печі безперервної дії з розподіленим підведенням теплоносія, в якості якого використовується гаряче повітря. Модель включає рівняння теплових балансів, складених для елементарної ділянки печі (схема якої зображена на рис. 5), по металу і по транспортуючим пристроям:

; (8)

; (9)

. (10)

Тут верхній знак застосовується для протитечії, нижній - для прямотечії; - теплота, підведена на елементарну ділянку печі () з теплоносієм, Вт; - теплота, що входить у випадку прямотечії на елементарну ділянку (чи виходить у випадку протитечії) з пароповітряною сумішшю, Вт; - теплота, що виходить у випадку прямотечії з елементарної ділянки (чи входить у випадку протитечії) з пароповітряною сумішшю, Вт; - теплота, витрачена на нагрівання хлористого цинку і хлористого амонію, Вт; - теплота, витрачена на нагрівання вологи, що міститься в плівці флюсу, Вт; - теплота, витрачена на випар вологи, Вт; - теплота, витрачена на нагрівання пари, що утворюється до температури пароповітряної суміші (), Вт; і - теплота, витрачена, відповідно, на нагрівання труб і транспортуючих пристроїв, Вт; - втрати теплоти через футерівку печі, Вт; , і - коефіцієнти тепловіддачі від пароповітряної суміші до металу, транспортуючих пристроїв та кладки, Вт/(м² К); , - площа теплосприймаючої поверхні металу і транспортуючих пристроїв, м²; , , - маса (кг), середня питома теплоємність (Дж/(кгК)) і температура (°С) металу; , і - маса (кг), середня питома теплоємність (Дж/(кгК)) і температура (°С) транспортуючих пристроїв.

У зв'язку з відсутністю в літературі даних, необхідних для розрахунку випару вологи з розчину флюсу високої концентрації, запропоновано методику розрахунку процесів тепломасообміну в прямо- або протитечійній печі з розподіленим підведенням теплоносія, відповідно до якої величини , , , і , що входять у рівняння (8) визначаються з використанням експериментальної залежності (7). Після перетворення рівнянь (8)-(10) до диференціальної форми задача розв'язується методом Рунге-Кутта при наступних допущеннях: 1) температура флюсу дорівнює температурі металу (); 2) витрату теплоносія задано у вигляді лінійної залежності від часу; 3) =; 4) коефіцієнти тепловіддачі і визначаються відповідно до рекомендацій робіт А.В. Ликова і Б.С. Мастрюкова, а їх змінювання в ході процесу представлено у вигляді поліномів третього ступеня від часу. При розрахунках визначаються розподіл температур пароповітряної суміші, труб і транспортуючих пристроїв уздовж печі, кількість вологи, що випаровується в ході процесу, і зміна вологовмісту пароповітряної суміші.

З використанням запропонованої методики розрахунку виконано дослідження тепломасообміну в прямотечійній і протитечійній печах. При розрахунках прийнято, що в печі здійснюється нагрівання офлюсованих електрозварних труб діаметром 27 мм з товщиною стінки 2,5 мм, довжиною 7 м. Початкові температури теплоносія - 250 °С, труб - 30 °С. Витрата теплоносія на піч - 12850 кг/г, що відповідає об'ємній витраті 10000 м³/г за нормальних умов. Початковий вологовміст теплоносія - 10,3 г/кг. Продуктивність печі - 5 т/г. Загальний час нагрівання - 410 с.

Аналіз отриманих результатів показав, що протитечійна схема ефективніше прямотечійної і дозволяє здійснювати нагрівання труб до більш високої температури. При цьому обидві схеми забезпечують нагрівання металу вище 150 °С, що відповідно до технологічних вимог вважається достатнім для рівномірного та якісного покриття труб сухим флюсом. Більша частина вологи видаляється з розчину флюсу на першій половині печі, вологовміст відпрацьованого теплоносія складає 10,9 г/кг, а його температура - 216 °С при прямотечійній і 214 °С при протитечійній схемах. Питома витрата теплоти з теплоносієм, що відходить з печі, складає 602 кДж/кг труб для прямотечійної схеми та 596 кДж/кг труб для протитечійної. З них для підігріву ванни флюсування, травильного, знежирюючого розчинів і промивної води при охолодженні теплоносія до 80 °С може бути використано 379 кДж/кг труб для прямотечійної схеми і 373 кДж/кг труб для протитечійної, що значно перевищує необхідні питомі витрати теплоти на перераховані технологічні операції (200 - 220 кДж/кг труб). Тому частину відпрацьованого теплоносія доцільно використовувати повторно.

Запропоновано енергозберігаючу технологію нагрівання офлюсованих труб перед гарячим цинкуванням в печі з розподіленим підведенням теплоносія, яка складається з рівних по довжині зон: прямотечійної та протитечійної. Відбирання теплоносія здійснюється роздільно з кожної зони. Причому відпрацьований теплоносій із другої за ходом руху металу (протитечійної) зони, що має більш низький вологовміст, використовується повторно в першій за ходом руху металу (прямотечійній) зоні після проміжного підігріву до температури 250 °С в додатковому підігрівальному електрокалорифері. Відпрацьований теплоносій із прямотечійної зони використовується для підігрівання ванни флюсування, травильного та знежирюючого розчинів і промивної води.

Для запропонованої енергозберігаючої технології виконано розрахунок процесу тепломасообміну в прямотечійно-протитечійній печі при тих же вихідних даних, який показав, що в прямотечійній зоні випаровується в 3,4 рази більше вологи, чим у протитечійній. Нагрівання труб до температурі вище 150 °С може бути забезпечене при витраті теплоносія 7068 кг/г (чи 5500 м³/г за нормальних умов) на протитечійну зону з початковою температурою 250 °С. При цьому витрата теплоносія, що повторно використовується в прямотечійній зоні, з урахуванням підсмоктування 10 % холодного повітря на ділянці “піч - додатковий електрокалорифер” складе 7776 кг/г (чи 6052 м³/г за нормальних умов), і він повинен бути підігрітий у додатковому електрокалорифері до початкової температури на 43 °С.

Питома витрата теплоти з відпрацьованим теплоносієм, що виходить з прямотечійної зони складає 364 кДж/кг труб, з них на проведення інших технологічних операцій може бути використано 230 кДж/кг труб, що цілком забезпечує необхідні питомі витрати теплоти (200 - 220 кДж/кг труб).

Енергоємність розглянутого процесу оцінюється за питомими витратами теплоти на нагрівання теплоносія і коефіцієнтом корисної дії (ККД) печі. Розрахунки показують, що питомі витрати теплоти на нагрівання теплоносія для прямотечійної і протитечійної печей при коефіцієнті збереження теплоти електрокалорифера рівному 0,95 складають 674 кДж/кг труб, при цьому ККД печі без урахування подальшого використання відпрацьованого теплоносія складає 0,1014 для прямотечії та 0,1077 для протитечії. При використанні енергозберігаючої технології питомі витрати теплоти складають 447 кДж/кг труб, що на 33,7 % менше, ніж при використанні прямотечійної чи протитечійної печей, а ККД прямо-протитечійної печі дорівнює 0,149.

Висновки

В дисертаційній роботі вирішено важливе науково-технічне завдання - підвищення економічності роботи нагрівальних печей безперервної дії чорної металургії шляхом розробки енергозберігаючих технологій нагрівання металу. Основні результати роботи полягають у наступному.

1. Аналіз науково-технічної літератури показав, що найбільш перспективними заходами, спрямованими на підвищення економічності роботи нагрівальних печей, є удосконалювання існуючих і розробка нових енергозберігаючих технологій нагрівання металу, розробка і впровадження сучасних АСУ ТП з використанням мікропроцесорної техніки і управляючих ЕОМ.

2. Шляхом теоретичних досліджень теплообміну в прямо- і протитечії з урахуванням втрат теплоти в навколишнє середовище уточнено умови передачі теплоти в методичних зонах нагрівальних печей безперервної дії, що дозволило підвищити точність визначення кінцевих параметрів нагріву металу і температури димових газів, що відходять з печі

3. Для опалювальних зон кільцевих і методичних печей встановлено необхідні умови генерації і передачі теплоти від продуктів згоряння до металу, виражені у вигляді закономірностей зміни температури продуктів згоряння і витрати палива уздовж зони теплообміну. Згадані закономірності забезпечують реалізацію заданого графіка нагрівання металу, дотримання припустимого кінцевого перепаду температур по перетину заготовки і раціональне використання теплоти палива в умовах неритмічної роботи прокатного стану.

4. Розроблено методику розрахунку теплової роботи печей безперервної дії з розподіленим підведенням палива, яка дозволяє визначати зміну характерних температур металу, продуктів згоряння і витрати палива в процесі нагрівання при заданому графіку зміни середньомасової температури металу в опалювальних зонах. Виконано розрахунок теплової роботи кільцевої печі вісепрокатного стану ДМК ім. Дзержинського. Порівняння розрахункових та експериментальних даних нагрівання заготовок показало їх задовільну збіжність. Похибка при визначенні витрати палива склала 3 %.

5. Досліджено теплову роботу кільцевої печі при ритмічній і неритмічній роботі прокатного стану з продуктивністю 65,7- 25 т/г в умовах ТПЦ-4 ВАТ “НТЗ”.

Для умов ритмічної роботи прокатного стану розроблено енергозберігаючі режими нагрівання металу в кільцевій печі зі зміною довжини опалювальних зон, використання яких, у порівнянні з режимами нагрівання при постійній довжині опалювальних зон, забезпечує тим більшу економію палива, чим нижче продуктивність печі. Максимальна економія палива досягається при продуктивності 25 т/г і складає 17,6 %.

Запропоновано способи управління нагріванням металу в кільцевій печі при неритмічній роботі прокатного стану, які забезпечують задану якість нагріву за рахунок підтримки постійного розподілу средньомасової температури металу уздовж печі незалежно від коливань продуктивності в діапазоні 100 - 40 %. Показано, що спосіб управління нагріванням металу за рахунок зміни довжини опалювальних зон в залежності від продуктивності є енергозберігаючим у порівнянні зі способом управління при постійній довжині опалювальних зон і змінному коефіцієнті витрати повітря. Максимальна економія досягається при зниженні продуктивності до 25 т/г і складає 17 %. Запропоновані способи управління нагріванням металу можуть використовуватися в будь-яких печах безперервної дії з розподіленим підведенням палива.

Розроблено завдання для мікропроцесорів в системах АСУ ТП, які забезпечують реалізацію енергозберігаючих технологій нагрівання металу в кільцевій печі ТПЦ-4 ВАТ “НТЗ” в умовах ритмічної та неритмічної роботи прокатного стану.

6. На основі експериментальних досліджень тепломасообміну при нагріванні зразків офлюсованих труб виявлено залежність відносної маси вологи, що випарувалася з розчину флюсу, від температури труби, яку використано для розробки методики розрахунку тепломасообмінних процесів у печі безперервної дії з урахуванням втрат теплоти робочим простором і транспортуючими пристроями.

7. Досліджено теплові процеси, ускладнені масообміном, в прямотечійній і протитечійній нагрівальних печах лінії гарячого цинкування труб. Отримано данні про зміну температури і вологості теплоносіїв, що дозволило розробити нетрадиційну прямо-протитечійну схему печі і енергозберігаючу технологію нагрівання офлюсованих труб перед гарячим цинкуванням в умовах ВАТ "Комінмет". Використання енергозберігаючої технології дозволяє забезпечити зниження витрат теплоти на нагрівання теплоносія на 33,7 % в порівнянні з традиційними технологіями нагрівання офлюсованих труб в прямотечійній або протитечійній печі.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Ольшанский В.М., Гупало Е.В. Нагрев тел в прямо- и противотоке с распределенным подводом теплоносителя по длине печи// Теория и практика металлургии.- Днепропетровск: ГМетАУ.- 1999.- № 5.- С. 24- 26.

2. Ольшанский В.М., Гупало Е.В. Нагрев термически тонких тел в движущемся слое при нелинейных граничных условиях с учетом потерь тепла через кладку печи// Металлургическая теплотехника. Сб. научн. трудов ГМетАУ (Энергетика. Металлургия).- Днепропетровск: ГМетАУ.- 1999.- Т. 2.- С. 176- 179.

3. Ольшанский В.М., Гупало Е.В. Нагрев тел излучением в прямо- и противотоке с учетом потерь тепла через кладку печи// Металл и литье Украины.- 2000.- № 7-8.- С. 23- 26.

4. Ольшанский В.М., Гупало В.И., Гупало Е.В., Гончар В.П., Ботюк О.Н., Ткаченко В.В. Разработка режима сушки труб перед горячим цинкованием// Металлургическая и горнорудная промышленность.- 2000.- № 6.- С. 79- 82.

5. Ольшанский В.М., Гупало В.И., Гупало Е.В., Гончар В.П., Ботюк О.Н., Ткаченко В.В. Выбор теплотехнологической схемы сушки труб перед горячим цинкованием// Металлургическая теплотехника. Сб. научн. трудов НМетАУ.- Днепропетровск: НМетАУ.- 2000.- Т.3.- С. 73- 82.

6. Ольшанский В.М., Гупало Е.В. Нагрев тел простейших форм в противотоке с учетом потерь тепла// Металлургическая теплотехника. Сб. научн. трудов НМетАУ.- Днепропетровск: НМетАУ.- 2001.- Т.4.- С. 46- 52.

7. Ольшанский В.М., Гупало Е.В. Исследование способов управления тепловой работой кольцевой печи при различной производительности прокатного стана// Металлургическая теплотехника. Сб. научн. трудов НМетАУ.- Днепропетровск: НМетАУ.- 2003.- Т.9.- С. 93- 101.

8. Ольшанский В.М., Гупало Е.В. Нагрев тел в движущемся слое при линейных граничных условиях с распределенным подводом теплоносителя по длине печи// VI medzinбrodnб konferecia ENERGETICЙ PREMENY V PRIEMYSLE' 98, HERL'Any, 5- 7 oktуbra 1998.- C. 71- 76.

9. Гупало Е.В., Сапов В.Ф., Кирсанов Н.В., Медведовский А.В. Повышение энергоэкологической эффективности работы кольцевых нагревательных печей// Материалы международной междисциплинарной научно-практической конференции “Современные проблемы науки и образования” (30 апреля- 9 мая 2005 г., г. Алушта).- Харьков.- 2005.- С. 85.

Аннотация

Гупало Е.В. “Совершенствование работы печей непрерывного действия прокатного производства с целью энергосбережения”. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.16.02 - Металлургия черных металлов. - Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2005.

В диссертационной работе на основе исследований тепловых и массообменных процессов решена важная научно-техническая задача повышения экономичности работы нагревательных печей непрерывного действия черной металлургии путем разработки энергосберегающих технологий нагрева металла.

Выполнены теоретические исследования теплообмена в прямо- и противотоке с учетом потерь теплоты рабочим пространством печи в окружающую среду при линейных и нелинейных граничных условиях, которые позволили: уточнить условия передачи теплоты в методических зонах печей непрерывного действия; установить необходимые условия генерации и передачи теплоты от продуктов сгорания топлива к нагреваемому металлу в отапливаемых зонах печей непрерывного действия с распределенным подводом топлива, позволяющие обеспечить заданный график нагрева и рациональное использование теплоты топлива в условиях неритмичной работы прокатного стана.

Разработана методика расчета тепловой работы нагревательных печей непрерывного действия с распределенным подводом топлива, позволяющая определять изменение характерных температур металла, продуктов сгорания и расхода топлива в процессе теплообмена при заданном графике изменения среднемассовой температуры металла в отапливаемых зонах печи.

На основе исследований тепловой работы кольцевой печи разработаны энергосберегающие режимы нагрева металла с переменной длиной отапливаемых зон для условий ритмичной работы прокатного стана с различной производительностью. Реализация энергосберегающих режимов нагрева по сравнению с режимами при постоянной длине отапливаемых зон обеспечивает тем большую экономию топлива, чем меньше производительность печи. Максимальная экономия топлива составляет 17,6 % при производительности 25 т/ч.

Предложены способы управления нагревом металла в кольцевой печи, обеспечивающие заданное качество нагрева за счет поддержания постоянного распределения среднемассовой температуры металла вдоль печи независимо от колебаний производительности в условиях неритмичной работы прокатного стана. Первый способ управления реализуется за счет сжигания топлива в первых по ходу движения металла отапливаемых зонах печи с коэффициентом расхода воздуха, изменяющимся от 1,1 до 1,8 при уменьшении производительности от 100 до 40 %. Второй способ управления осуществляется путем изменения длины отапливаемых зон за счет включения или отключения дополнительных горелочных устройств, установленных в конце методической зоны, в зависимости от производительности при одновременном изменении температур в зонах регулирования. Этот способ управления является энергосберегающим по сравнению с предыдущим и позволяет обеспечить экономию топлива до 17 %.

Разработаны задания для микропроцессоров в системах АСУ ТП, обеспечивающие управление нагревом металла в зависимости от производительности кольцевой печи в условиях ритмичной и неритмичной работы прокатного стана. Показано, что предложенные способы управления нагревом металла могут быть использованы в любых противоточных печах непрерывного действия с распределенным подводом топлива.

На основе экспериментальных исследований тепловых и масообменных процессов при нагреве образцов офлюсованных труб установлена зависимость относительной массы влаги, испарившейся из раствора флюса, от температуры трубы. С использованием этой зависимости разработана методика расчета тепломассообмена в печи непрерывного действия линии горячего цинкования. Выполнены исследования тепловых процессов, осложненных массообменом, в прямоточной и противоточной печах. Получены данные об изменении температуры и влажности теплоносителей, позволившие разработать нетрадиционную прямо-противоточную схему печи и энергосберегающую технологию нагрева офлюсованных труб перед горячим цинкованием. Применение энергосберегающей технологии позволит обеспечить снижение удельных затрат теплоты на нагрев теплоносителя на 33,7 % по сравнению с традиционными технологиями нагрева офлюсованных труб в прямоточной или противоточной печах.

Ключевые слова: тепломассообмен, прямоток, противоток, печь непрерывного действия, кольцевая печь, энергосбережение.

Анотація

Гупало О.В. “Удосконалення роботи печей безперервної дії прокатного виробництва з метою енергозбереження”. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.16.02. - Металургія чорних металів. - Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2005.

Досліджено процес теплообміну у прямо- і протитечії з урахуванням втрат теплоти робочим простором в навколишнє середовище. Уточнено умови передачі теплоти в методичних зонах печей безперервної дії. Виявлено необхідні умови генерації і передачі теплоти в опалювальних зонах методичних та кільцевих печей, які забезпечують реалізацію заданого графіка нагрівання металу. Запропоновано методику розрахунку печей безперервної дії з розподіленим підведенням палива, з використанням якої розроблено енергозберігаючі технології нагрівання металу у кільцевій печі в умовах ритмічної та неритмічної роботи прокатного стану.

З використанням результатів експериментальних досліджень розроблено методику розрахунку і досліджено тепломасообмінні процеси в прямо- і протитечійних печах лінії гарячого цинкування. Розроблено нетрадиційну прямо-протитечійну схему печі та енергозберігаючу технологію нагрівання офлюсованих труб перед гарячим цинкуванням.

Ключові слова: тепломасообмін, прямотечія, протитечія, піч безперервної дії, кільцева піч, енергозбереження.

Summary

Gupalo O.V. “Improvement in the work of continuous furnaces of rolling production for the energy saving”. - Manuscript.

The dissertation for getting scientific degree of Candidate of Technical Science on specialty 05.16.02- Metallurgy of ferrous metals.- National metallurgical academy of Ukraine, Dnipropetrovsk, 2005.

The process of heat exchange for a parallel and a counter flow is investigated with taking into consideration working space losses to environment. The conditions of a heat transfer in continuous furnaces preheating zones are specialized. The necessary conditions of heat generation and heat transfer in heating zones of continuous and ring furnaces are established providing realization of the preset schedule of metal heating. The design procedure of continuous counter flow furnace thermal work with distributed fuel feed is offered. It is used for the development of energy saving heating technologies in a ring furnace for a rolling mill rthytmical or unrthytmical work.

The experimental researches results were used for the design procedure developing. Then study of heat-mass exchange was made for parallel and counter flow furnaces of the pipe hot-dip galvanizing plant. The untraditional parallel-counter flow scheme of furnace and the energy saving technology of a fluxed pipe heating before a pipe hot-dip galvanizing is developed.

Keywords: heat-mass exchange, parallel flow, counter flow, continuous furnace, ring furnace, energy saving.

Размещено на Allbest.ru

...