Підвищення ефективності роботи печей графітації електродних виробів

Размещено на http://www.allbest.ru/

НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

УДК 621.365.32

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ РОБОТИ ПЕЧЕЙ ГРАФІТАЦІЇ ЕЛЕКТРОДНИХ ВИРОБІВ

05.05.13 - Машини та апарати хімічних виробництв

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

КУТУЗОВ Сергій Володимирович

Київ 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Науково-дослідному центрі “Ресурсозберігаючі технології” Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” (НТУУ “КПІ”), Міністерство освіти і науки України, та ВАТ “Український Графіт”, Міністерство промислової політики України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, заслужений працівник народної освіти України Панов Євген Миколайович, НТУУ “КПІ”, декан інженерно-хімічного факультету, завідувач кафедри хімічного, полімерного і силікатного машинобудування

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор, академік НАН України Бондаренко Борис Іванович, Інститут газу НАН України, директор;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Гапонич Людмила Станіславівна, Інститут вугільних енерготехнологій НАН України, старший науковий співробітник.

Захист дисертації відбудеться “04” грудня 2007 р. о 14-30 г. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.002.05 в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: м. Київ, пр. Перемоги, 37, корпус 21, аудиторія 212.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, пр. Перемоги, 37.

Автореферат розісланий “ 02 ” листопада 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, професор Круглицька В.Я.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Завершальною технологічною стадією при виробництві вуглеграфітових виробів є процес графітації, сутність якого полягає у високотемпературній обробці цих виробів до 2500 - 3000 ^оС в спеціальних печах графітації. На ВАТ “Укрграфіт”, який є єдиним виробником електродної продукції в Україні, графітація здійснюється в електричних прямих і П-подібних однофазових печах опору за технологією Ачесона. Процес графітації є доволі енергоємним, витрати електроенергії при його здійсненні перевищують 5 тис.кВт·год/т продукції, тому актуальним завданням є розробка енергозберігаючих регламентів графітації.

Відомо, що в промислових умовах достовірні виміри високих температур, які характеризують закінчення процесу графітації, пов'язані з суттєвими технічними складнощами. На практиці управління процесом графітації здійснюють за наперед заданими витратами енергії, тобто без зворотного зв'язку. Тому актуальним завданням також є визначення температурних полів в печах графітації на завершальній стадії процесу методом чисельного моделювання.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні теоретичні і практичні результати отримані при виконанні робіт, пов'язаних з тематикою фундаментальних і прикладних досліджень, які упродовж останніх років проводяться в НДЦ “Ресурсозберігаючі технології” НТУУ “КПІ” разом з ВАТ “Укрграфіт” у напрямку розробки енергозберігаючих технологій при виробництві електродної продукції, а саме науково-дослідних робіт “Розробка методики і програмного забезпечення для розрахунків тривимірних нестаціонарних температурних полів в печах графітації і алюмінієвих електролізерах (державний реєстраційний № 0104U000858), “Розробка енергозберігаючого регламенту при виготовленні електродної продукції для металургійного виробництва” (державний реєстраційний № 0103U008050), які виконувалися згідно тематичного плану науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є підвищення теплової і енергетичної ефективності печей графітації постійного струму при графітації електродних виробів за технологією Ачесона.

Для досягнення поставленої мети вирішувались наступні задачі: комплексні промислові дослідження температурно-теплового режиму декількох кампаній печей графітації, які включали обґрунтування і вибір методу визначення температур, експериментальні виміри розподілу температур в різних елементах печі, визначення складових матеріального балансу та підведеної до печі потужності; чисельне моделювання та прогнозування температурних полів для будь-якого проміжку часу з урахуванням отриманих експериментальних вимірів температурно-теплового режиму; визначення за результатами чисельного моделювання середньооб'ємних температур заготовок, що графітуються; отримання узагальнюючих залежностей безрозмірної температури заготовок від технологічних і режимних параметрів процесу графітації; складання енергетичного балансу печі і розробка заходів з удосконалення процесу графітації заготовок великого діаметру (конструктивні зміни печі, інтенсифікація підведення потужності, зменшення тривалості процесу), що дозволяють знизити витрати електричної енергії на одиницю готової продукції. температура піч графітація заготовка

Об'єктом дослідження є П-подібна піч графітації постійного струму.

Предметом дослідження є теплотехнологічні процеси, які відбуваються при графітації вуглецевих електродів.

Методи дослідження. Для вирішення вказаних задач використовувались чисельне моделювання на базі прямого методу граничних елементів (ПМГЕ) та експериментальні методи досліджень температурних полів на промислових печах.

Достовірність отриманих результатів базується на використанні в роботі фундаментальних рівнянь теплообміну, загально прийнятних методик і порівнянні з відомими даними, достовірність виконаних розрахунків забезпечується використанням відомих чисельних методів, тестуванням розробленого програмного забезпечення, у тому числі і стандартного програмного забезпечення.

Наукова новизна отриманих результатів:

· розроблено методику багаторівневого експериментально-розрахункового визначення температур технологічного процесу графітації: до 1200С - 1-й рівень; до 1800С - 2-й; до 2500С - 3-й і вище 2500С - 4-й;

· вперше отримано експериментальні дані температурного режиму графітації (до 2500С) електродів великого перерізу (діаметром 555 і 610 мм) в П-подібних печах графітації постійного струму;

· розроблено непрямий спосіб визначення температури торця заготовок в печі графітації (до 2100 С);

· запропоновано математичну модель для опису нестаціонарного процесу теплообміну в печах графітації постійного струму, розроблено методику чисельного розв'язання задачі нестаціонарної теплопровідності на базі ПМГЕ;

· вперше експериментально-розрахунковим шляхом отримано нестаціонарні температурні поля П-подібних печей графітації постійного струму при графітації електродів великого перерізу;

· вперше отримано узагальнюючу залежність безрозмірної температури керна печей графітації від безрозмірного часу (числа Фур'є);

· розроблено методику оперативного визначення поточної температури керна в залежності від часу, підведеної потужності, теплофізичних властивостей матеріалів заготовок та узагальнюючої залежності безрозмірної температури від числа Фур'є;

· вперше на базі складання енергетичного балансу П-подібної печі визначено частку корисно використаної керном теплоти;

· на підставі уточненого енергетичного балансу П-подібної печі визначено потенціал і основні напрямки енергозбереження при графітації електродів великого перерізу.

Практичне значення отриманих результатів полягає у наступному:

· впроваджено розроблену методику багаторівневого експериментально-розрахункового визначення температур технологічного процесу графітації на промислових печах ВАТ “Укрграфіт”;

· впроваджено методику оперативного визначення поточної температури керна в залежності від технологічних параметрів процесу, теплофізичних властивостей матеріалів заготовок та за допомогою отриманої залежності безрозмірної температури від числа Фур'є;

· на підставі визначених температур керна запропоновано інтенсифікований регламент підводу електричної потужності, що дозволило скоротити загальні витрати енергії на 6-8%;

· розроблено та впроваджено нову конструкція газозбірного зонта печі графітації, що забезпечує зменшення теплових втрат через верх печі, скорочення витрат пересипно-теплоізоляційних матеріалів і збільшення одиничної теплової потужності печі;

· запропоновано та впроваджено модифікований спосіб завантаження печі графітації зі встановленням дерев'яних щитів між керном і теплоізоляційною шихтою, що призводить до підвищення рівномірності температурного поля керна, зменшення тривалості кампанії і, відповідно, до економії питомих витрат електричної енергії.

Результати роботи впроваджені на ВАТ “Український графіт”. Так, наприклад, запровадження теплоізольованих зонтів на секціях цеху графітації у 2004-2005 рр. призвело до річного економічного ефекту 2370,5 тис. грн/рік (підтверджено актом про впровадження).

Особистий внесок здобувача. Автором дисертаційної роботи самостійно розроблено методику і зроблено розрахунки енергетичної ефективності печі графітації, в чисельній методиці розрахунків самостійно розроблена частина з розрахунків коефіцієнтів впливу, самостійно виконані розрахунки температурних полів в печі графітації та зроблено їх аналізі; автор приймав участь у експериментальних дослідженнях температурних полів печей графітації, автором самостійно розраховано енергобаланси печей, розроблено енергозаощаджуючі заходи з використанням укриття теплоізоляційною шихтою та газовловлюючого зонта, розраховані показники енергозбереження.

Апробація роботи. Матеріали дисертаційної роботи доповідалися на науково-технічній конференції “Електротермія-2004” (м. Санкт-Петербург, 1-4 червня 2004 р.), XVII Міжнародній конференції “UKR-POWER 2005” “Енергозбереження в промисловій і комунальній енергетиці” (м. Ялта, 5-9 вересня 2005 р.), XII Міжнародній конференції “Алюміній Сибіру-2006” (м. Красноярськ, 5-7 вересня 2006р.), науково-технічних радах ВАТ “Укрграфіт” у 2003-2006 р.р., науково-практичному семінарі пофесорсько-викладацького складу НТУУ “КПІ” (протокол НТР НДЦ “РТ” №1/06 від 26.06.2006 р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 8 наукових працях, в тому числі 4 статті у фахових виданнях та один патент України.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку літератури і чотирьох додатків. Основний зміст роботи представлений на 145 сторінках, що включає 63 рисунки і 16 таблиць. Список використаних літературних джерел містить 114 найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета і задачі для її вирішення.

В першому розділі виконано огляд і аналіз літературних джерел стосовно фізичних основ отримання штучного графіту, конструкцій печей і технології процесу графітації, показників процесу графітації та шляхів їх удосконалення.

За результатами огляду з'ясовано, що головним фактором, який визначає графітацію вуглецевої речовини, є кінцева температура. Вона повинна бути не нижче як 2500-3000 ^оС.

При графітації вуглецевих заготовок за технологією Ачесона використовуються прямі і П-подібні електричні однофазові печі непрямого нагріву періодичної дії.

Не дивлячись на простоту конструкції печей, безсумнівною є складність задач, які пов'язані з удосконаленням технології графітації в них. Причиною цього є те, що електричні та теплофізичні властивості всіх матеріалів завантаження суттєво залежать від температури, а здійснення режиму вводу електроенергії в піч залежить від границь регулювання напруги і максимального значення сили струму трансформатора живлення.

З проаналізованих показників, що впливають на процес графітації, виділено дві групи: технологічні та режимні. До технологічних віднесені способи укладання керна; типи і розміри печей; переріз і довжина виробів, що графітуються; застосовані пересипні та теплоізоляційні матеріали. Режимні показники характеризуються рівнем температури і рівномірністю її розподілу за перерізом керна, темпом підвищення температури, тривалістю процесу, графіком підведення потужності.

Аналіз джерел зі способів управління процесом графітації показав, що найбільш логічно було б здійснювати управління процесом за значенням рівня температури заготовок в керні в кожний момент часу.

З огляду літератури, досвіду практичної роботи автора і проведених при виконанні даної роботи експериментальних досліджень відомо, що в промислових умовах достовірні виміри високих температур, які характеризують закінчення процесу графітації, пов'язані з суттєвими технічними складнощами, тому управління цим процесом нині ведуть за наперед заданою витратою енергії без здійснення зворотного зв'язку. Таким чином, в дисертаційній роботі зроблено висновок, що доцільним і необхідним при визначенні температурних полів в печах графітації, особливо на завершальній стадії процесу, є використання методу чисельного моделювання, для реалізації якого в практичних умовах необхідні експериментальні температурні поля в області можливих достовірних температурних вимірювань, чисельні моделі теплового стану печі, які пройшли верифікацію на даних натурних експериментів.

Завершує розділ постановка основних задач дисертаційної роботи, що випливають з аналізу сучасного стану проблеми.

У другому розділі викладено методики і результати натурних експериментальних досліджень температурно-теплового режиму печей графітації.

Основні завдання експериментальних вимірів: визначення температурного рівня процесу печі графітації, співставлення отриманих результатів з теоретичними даними; оцінка теплового стану печі графітації і резервів енергозбереження; отримання даних для завдання граничних умов при розробці чисельної моделі та її верифікації для прогнозування температурних полів в керні печі на завершальній стадії процесу графітації.

Виміри температур усередині заготовок, в теплоізоляції і пересипці, а також в конструктивних елементах печей здійснювались безпосередньо вольфрам-ренієвими (ВР-5/20) і хромель-алюмелевими (ХА) термопарами, а на торцях заготовок - оптичним пірометром і за допомогою графітового блоку непрямого вимірювання зі встановленими на відповідних відстанях у ньому вольфрам-ренієвими термопарами.

Хромель-алюмелеві і вольфрам-ренієві термопари виготовлялись за спеціальною методикою та перевірялись на однаковість показань та відповідність таблицям градуювання.

У якості вторинного приладу при вимірюванні температур в режимі реального часу використовувався розроблений в НДЦ “Ресурсозберігаючі технології” НТУУ “КПІ” вимірювальний комплекс збору даних для високотемпературних технологічних процесів (рис.1), точність вимірювання якого складає біля 0,1 %.

Схеми вимірів температур торця заготовок безпосередньо оптичним пірометром та за допомогою графітового блоку показані на рис.2,3 відповідно.

Як показали розрахунки нестаціонарних температурних полів і їх аналіз, при непрямому визначенні температур торця заготовок, для екстраполяції температури у заготовках може бути використана експоненціальна залежність T(x) = Aexp(-bx), коефіцієнти A і b в якій визначаються методом статистичної обробки показань термопар у вимірювальному блоці.

Експериментальні дослідження температурно-теплового режиму були виконані на П-подібних печах постійного струму (див. табл.1).

При виконанні досліджень були реалізовані дві різні схеми установки термопар:

- на печі № 23 - у подині і в верхньому теплоізоляційному шарі;

- на печах № 25 і 27 - на осі і на поверхні заготовок, в пересипці між заготовками та в боковому теплоізоляційному шарі.

Для проведення вимірів температур торця заготовок у процесі їх графітації за допомогою оптичного пірометра та непрямим способом у спеціально підготовлених отворах розміщувалась пірометрична графітова труба (див. рис.2) та графітовий блок зі зборкою з 4-х термопар (див.рис. 3).

Схема встановлення термопар в одній з печей показана на рис. 4.

Аналіз отриманих експериментальних даних.

Кампанія №114. Експериментальні дослідження в цій кампанії були налагоджувальними для відпрацювання технічних характеристик вимірювального комплексу у цілому, датчиків температури та інших вимірювальних приладів.

Кампанія № 208. Часова зміна рівня температури різних конструкційних матеріалів печі при зміні значення підведеної електричної потужності має певні закономірності. Так, наприклад, на графіках температури в теплоізоляційному шарі, що мало місце і в інших кампаніях, є ізотермічна ділянка (t = 100^оС), яка свідчить про процес випаровування вологи з сипучих шихтових матеріалів. Тривалість періоду сушки цих матеріалів визначається вихідною вологістю матеріалів та процесами масопереносу в капілярно-пористому тілі і досягає біля 30 % від загальної тривалості процесу графітації.

Таблиця 1

Характеристики досліджених кампаній

Дата	Номер печї	Номер кампанії	Тривалість кампанії, год	Завантаження печі електродами
				маса, кг	діаметр, мм	кількість в обох кернах
1	2	3	4	5	6	7
02.03.02 р.	23	114	78	70400	555	84
24.04.02 р.	23	208	78	70500	555	84
09.10.02 р.	23	397	72	74500	555	84
08.11.02 р.	27	478	99	82800	610 325	48 96
13.12.02 р.	25	530	87	79400	610 275	48 96

Співставлення графіка підведення електричної потужності з графіком температур заготовок показує, що досягнення максимальних температур заготовок відбувається після проходження піку потужності (рис.5).

Аналіз наведених на рис. 5 графіків показує, що не дивлячись на підведення електричної потужності на етапі (0,9-1,0)ф температура заготовок зменшується. Це свідчить про те, що теплові втрати в печі на даному етапі перевищують підведену потужність. Таким чином при наявних регламентах графітації електродів великого діаметру етап (0,9-1,0)ф є енергетично недоцільним: при відповідних умовах його можна виключити, скоротивши термін кампанії.

Відставання за часом максимуму температурного графіка від максимуму графіка підведення електричної потужності можливе за рахунок інтенсифікації підведення потужності до керна.

Кампанія №397. В технологічному регламенті графітації запропоновано змінений графік підведення електричної потужності (рис.6), що при тієї ж кількості підведеної до печі електроенергії, дає змогу скоротити термін кампанії на 6-8 %.

Рівень досягнутих технологічних температур у печі за рахунок більш інтенсивного графіка підведення потужності вищий приблизно на 100^оС, ніж у попередніх кампаніях, а досягнення максимальної температури у заготовках відбувається на 10% раніше порівняно з кампанією №208 відносно терміну кампанії (рис.7).

Необхідна відстань обиралася з розрахунку досягнення деревиною щита температури піролізу на момент часу після проходження піка підведення електричної потужності.

Кампанія №478. Особливістю цієї кампанії було те, що з метою перевірки технічного рішення утеплення керна використовувалися дерев'яні щити, які встановлювалися на розрахованій відстані впродовж керна.

На рис.8 наведені виміряні температури в заготовках кампанії №478 у відповідності зі схемою встановлення термопар (див. рис.4).

З наведених на рис.8 даних видно, що упродовж приблизно 10 год з початку підведення електричної потужності температура на всій довжині заготовок практично постійна і сягає біля 100^оС, що свідчить про випаровування вологи з пересипних матеріалів; потім відбувається інтенсивне підвищення температури заготовок. Різниця в показаннях термопар Т20-Т21-Т22 свідчить про осьовий перепад температур у заготовках; найбільший перепад температур центр-торець для заготовок 3 ряду сягає 210^оС. Виміряні також у процесі експериментальних досліджень радіальні перепади температур “поверхня - вісь” заготовок не перевищували 200^оС.

Порівняно з типовою, в дослідній кампанії №478, були досягнуті більш високі значення температур, так, наприклад, температура торця заготовок дещо перевищувала 2500 ^оС.

На заключному етапі підведення потужності експеримент показав зниження температури в зоні технологічного процесу (керна), починаючи приблизно з 76 год, що свідчить про неефективність подальшого підведення потужності, тому у наступних кампаніях при графітації заготовок діаметром 610 мм було запропоновано скоротити тривалість графітації.

Кампанія №530. До особливостей цієї кампанії відноситься те, що з метою перевірки можливостей утеплення верху керна на поверхні теплоізоляційної шихти була розташована муллітокремнеземна плита зі встановленими на її нижній та верхній поверхнях термопарами.

До технологічних особливостей кампанії №530 відноситься реалізація зміненого порівняно з кампанією №478 графіка підведення потужності. Інтенсифікація підведення потужності дозволила досягти більш високих температур заготовок і скоротити термін процесу графітації на 12 год.

Таким чином розроблена методика і апаратурне забезпечення вимірів температури в печах графітації дозволили отримати достатньо великий експериментальний матеріал з температурних полів в робочій зоні печі (керні), боковій теплоізоляції, подині і стінах печі, який як база даних використовувався при верифікації чисельної моделі теплового стану печей графітації постійного струму. Також були встановлені основні закономірності зміни температури в технологічному процесі і їх зв'язок з графіком підведення потужності, отримані необхідні дані для оцінки енергозберігаючих регламентів підведення електричної потужності.

У третьому розділі викладено постановку і методику чисельного розв'язання задачі для моделювання і прогнозування температурних полів у печах графітації. Представлено результати чисельних експериментів з визначення температурних полів у печах графітації постійного струму при різних технологічних і режимних параметрах кампаній. Отримані за результатами чисельних експериментів безрозмірні рівняння для розрахунків середніх температур керна.

Математичне формулювання задачі для визначення температурних полів печей графітації базується на нелінійному нестаціонарному рівнянні теплопровідності з внутрішніми джерелами теплоти для неоднорідного тіла (складної конструкції)

(1)

де , - температурна залежність відповідно, питомої ізобарної теплоємності, Дж/(м³К), густини, кг/м³ і теплопровідності, Вт/(мК) i-го елементу конструкції; - температура, С; - час, с; - декартові координати, м; - щільність внутрішнього джерела теплоти, Вт/м³; - оператор Гамільтона.

Початкові умови

. (2)

Граничні умови при :

- на границі (поверхні) ₁ розглядаються умови Дирихле

; (3)

- на границі ₂ - умови Неймана

, (4)

де - зовнішня нормаль до границі; - густина теплового потоку, Вт/м²;

- на границі ₃ - умови Фур'є

, (5)

де - ефективний коефіцієнт тепловіддачі, який враховує конвекцію і теплове випромінювання, Вт/(м²К); t_д - температура довкілля, С;

- на границі ₄ - умови контакту між різними елементами конструкції

, (6)

де , - значення температури ліворуч і праворуч від границі; , - вектор густини теплового потоку, Вт/м²; - контактний термічний опір, (м²•К)/Вт. При - виконуються умови абсолютного контакту.

Величина густини внутрішнього джерела теплоти визначається із співвідношення

,

де P - електрична потужність, Вт; V - об'єм області, м³.

Вміст вологи в областях розрахункової моделі враховувався за рахунок введення від'ємного джерела теплоти та ефективної теплопровідності.

На базі прямого методу граничних елементів розроблена методика чисельного розв'язання задачі (1)-(6).

До основних етапів чисельної реалізації ПМГЕ належать:

- перетворення інтегралів по об'єму в граничні інтегральні вирази;

- дискретизація границь області;

- визначення коефіцієнтів впливу;

- формування матриці системи лінійних алгебраїчних рівнянь (СлаР) при заданих граничних умовах;

- усунення сингулярності СлаР та її розв'язок.

Граничне інтегральне рівняння лінійного нестаціонарного рівняння теплопровідності для граничних умов Дирихле і Неймана при застосуванні класичного МГЕ має вигляд

, (7)

де - коефіцієнт, який залежить від типу граничного елемента; M - індекс джерела; - час початку і кінця процесу; a - температуропровідність, м/c²; - фундаментальний розв'язок (1), який залежить від часу, і його нормальна похідна; .

У рівнянні два останні інтеграли (7) по перетворюються на граничні з використанням методу двоїстої взаємності (МДВ), II теореми Гріна та заміні

, (8)

де ; P - апроксимуюча функція - частинний розв'язок рівняння Пуассона.

Після розв'язку (8) дійсне значення температури при знаходиться із .

Для описання границь 2D () областей використовується ламана лінія, а для 3D () тіл - пласкі багатогранники або грані. Для дискретизації 2D областей та граней 3D тіл використовується тріангуляція за методом Делоне. Тип граничних елементів - лінійні: для 2D задач - відрізки прямих ліній, а для 3D задач - пласкі трикутники, в яких температура і потік за часом змінюється за лінійним законом.

Коефіцієнт впливу H1 при f = F після виконання аналітичного інтегрування за часом визначається із формули

,

(9)

де ; K - кількість трикутників, які оточують вузол j; k - індекс трикутника; M - кількість граничних вузлів; - якобіан; - вузли і вага квадратурної формули Хамера; n - число вузлів квадратурної формули; n_x, n_y, n_z - направляючі косинуси зовнішньої нормалі до площини; - відстань між джерелом і поточним вузлом; - координати вузлів; .

Діагональні коефіцієнти: , а визначається як при стаціонарній теплопровідності.

Формули для визначення G1, H2 и G2 при можна отримати аналогічно (9). При обчисленні коефіцієнтів впливу крок інтегрування за часом визначається нерівністю .

Для неоднорідної області при граничних умовах, заданих на СЛАР у векторній формі має вигляд

, (10)

де ,, вектори, пов'язані відповідно з впливом, розподілу температури в попередні моменти часу, внутрішнім джерелом теплоти і граничними умовами конвективного типу.

Система (10) записана для випадку, коли . Якщо , то використовується заміна і вихідне рівняння (8).

Для спряженої області, яка складається з множини тіл з різними однорідними властивостями, матриця (10) є розрідженою, тому для її зберігання використовується стрічковий спосіб запису. Для виключення сингулярності матриці СЛАР (10) використовуються спеціальні прийоми, які справедливі як для 2D, так і 3D задач. Розв'язок СЛАР виконується методом Гауса з врахуванням стрічкової структури матриці. Після розв'язку СЛАР визначаються невідомі температури і густини нормальних потоків на границях.

При розв'язанні нелінійної задачі (1)-(6) при в основу чисельної методики покладено пряме і зворотне перетворення Кірхгофа спільно з ітераційним розв'язком системи лінеаризованих рівнянь. Пряма підстановка Кірхгофа призводить до появи потенціалу

, де - номер ітерації.

При запису СЛАР типу (10) використовується частинна лінеаризація за методом Ньютона

(11)

Коефіцієнти впливу визначаються за формулами типу (9) при .

Температура визначається в ітераційному циклі із розв'язку (11) за формулою при .

На базі запропонованої методики розроблено відповідне програмне забезпечення, яке пройшло тестування на аналітичних розв'язках та верифікацію шляхом співставлення результатів розрахунків з даними натурних експериментів. З використанням авторського програмного забезпечення виконані розрахунки температурних полів для всіх експериментально досліджених кампаній графітації.

При виконанні розрахунків для кожної кампанії задавались наступні вихідні дані: геометричні характеристики печі, заготовок і пересипки; регламент вводу потужності; теплофізичні властивості конструкційних, кернових і теплоізоляційних матеріалів та їх вологість; коефіцієнти тепловіддачі від стін, подини печі і верху теплоізоляції керна.

На рис.9, як приклад, представлено температурне поле у поперечному перерізі керна печі №27 (кампанія №478) при досягненні максимального значення температур у заготовках, а на рис.10 - залежності середніх температур від відносного часу для всіх кампаній (відносний час є відношення поточного часу до максимального для відповідної кампанії).

Отримані при чисельних розрахунках температурні залежності (рис.10) з урахуванням теплофізичних властивостей заготовок, кількості підведеної до керна електроенергії P_ф для відповідних проміжків часу Дф використовувалися для визначення безрозмірних комплексів (безрозмірної температури і числа Фур'є 3600), які у вигляді залежності И = f(Fo) наведені на рис.11.

За визначальний розмір у безрозмірних комплексах брали еквівалентний діаметр керна , де H і b - висота і ширина керна, м.

При апроксимації наведених на рис.11 даних були отримані наступні узагальнені рівняння для розрахунків середніх температур керна:

- у першій И = 0,0024 + 0,0847Fо;

- у другій області И = 0,0097 + 0,0255Fо.

Аналіз отриманих даних показує, що перша область (для чисел Fo < 0,205) характеризується суттєвим підвищенням безрозмірної температури з ростом числа Фур'є.

При досягненні числом Фур'є значення Fo = 0,205 настає автомодельна область, яка характеризується несуттєвою зміною величини И при збільшенні числа Fo. Точку перетину двох прямих можна вважати початком процесу графітації заготовок, при якому відбувається фазовий перехід з ущільненням кристалічної решітки графіту. Точка зламу відповідає числу Fo = 0,205 і безрозмірній температурі И = 0,149, для якої істинна температура початку графітації заготовок складає t_гр = 2100 ^оС. При подальшому підвищенні температури процес графітації заготовок продовжується і закінчується при температурах 2500 - 3000 ^оС.

Для оперативної діагностики середніх температур заготовок в процесі їх графітації при відомих геометричних розмірах керна через кожну годину фіксується кількість підведеної електроенергії, потім для заданого проміжку часу ?ф при відповідній орієнтовній температурі визначаються теплофізичні властивості заготовок, число Фур'є, а за отриманими залежностями - безрозмірна температура. Дійсна середня температура заготовок в керні визначається з наступного співвідношення: . Для розрахованої дійсної температури у наведеній вище послідовності уточнюються теплофізичні властивості заготовок, величини безрозмірних комплексів Fо та И і остаточне значення дійсної температури t_ф.

Четвертий розділ присвячений аналізу енергетичної ефективності печей графітації та розробці енергозберігаючих заходів в них. Для оцінки енергетичної ефективності печей використані такі показники як питома витрата електроенергії на одиницю продукції (е) та частка акумульованої заготовками теплоти в процесі їх графітації (q_ак).

Величина е залежить від загальної кількості підведеної в процесі графітації електроенергії і маси заготовок в завантаженні печі, і для досліджених кампаній коливалася від 5783 кВт·год/т (кампанія №397) до 6440 кВт·год/т (кампанія №478).

Частка акумульованої заготовками теплоти (відносні корисні витрати підведеної електроенергії) розраховувалася у залежності від маси заготовок у завантаженні печі, їх середніх температур та питомої теплоємності, і кількості підведеної електроенергії для відповідного часу.

Залежність вигляду , де ф - поточний час, год; ф_max - максимальний час, що характеризує підведення потужності для відповідної кампанії, год, наведена на рис. 12.

Аналіз наведених на рис. 12 даних показує, що у всіх кампаніях при нагріві електродів можна виділити три характерні області:

I. У початковому періоді величина q_ак = 0,2...0,3, потім з часом відбувається її зменшення до 0,12...0,29. Це зв'язане з тим, що збільшується частка підведеної теплоти, яка витрачається на випаровування вологи з пересипки і теплоізоляції.

II. Після випаровування вологи відбувається деяке зростання величини q_ак до значень 0,32...0,47. Максимальні значення частки акумульованої теплоти відповідають максимальним досягнутим температурам або максимальним значенням підведеної потужності.

III. Останній етап характеризується зниженням величини q_ак до 0,25...0,32 на кінець кампанії. На цьому етапі підведена енергія в основному витрачається на компенсацію теплових втрат у довкілля.

Співставлення частки акумульованої теплоти для різних кампаній показує, що при інтенсифікованому графіку підводу потужності (кампанія №397) абсолютні значення частки акумульованої теплоти вище, ніж у інших кампаніях приблизно на 25-30 %. Застосування встановлених в період завантаження печі дерев'яних щитів для розділення зон випаровування вологи (кампанія №478) сприяло росту температурного перепаду і термічного опору теплопереносу з тепловиділяючої зони, що призвело до підвищення частки акумульованої теплоти приблизно на 10-15 %.

Якщо з загальної кількості підведеної енергії, взятої за відносну одиницю, відняти частку акумульованої заготовками теплоти, то отримаємо відносну величину втрат теплоти, тобто q_п = (1 - q_ак).

На основі балансових випробувань печі №27 (кампанія №478) і наступних розрахунків за відомими співвідношеннями були отримані абсолютні і відносні величини відповідних втрат підведеної в процесі графітації теплоти.

Аналіз наведених в табл.2 даних показує, що найбільш суттєвими втратами теплоти є витрати її на нагрів постелі, пересипки і теплоізоляційної шихти (32,7%), втрати теплоти з газами, що відходять, і через верх печі (28,5%), витрати на нагрівання конструкційних матеріалів печі (27,6%).

Виміри температур при проведенні кампанії графітації №530 при застосуванні на печі утепленого зонта показали, що температура торця заготовок для ф = 60 год підвищилася приблизно на 400 ^оС порівняно з кампанією без утепленого зонта, а розраховані за виміряними температурами зовнішньої поверхні газозбірного зонта теплові втрати з верха печі зменшилися приблизно на 10 %. Зменшення теплових втрат через верх печі призводить до зменшення об'єму теплоізоляційної засипки, що в свою чергу дозволяє завантажувати у піч додатковий ряд заготовок, тобто підвищити продуктивність печі.

Виконані техніко-економічні розрахунки показали, що на печах графітації з утепленим зонтом питома витрата пересипних матеріалів зменшилася на 8,6 %, і відповідно на 7,4 % збільшився об'єм товарної продукції.

З метою енергозбереження між керном з пересипкою і боковою теплоізоляційною шихтою встановлювалися дерев'яні щити. Виконані виміри температур в печі зі щитами при проведенні кампанії графітації №478 показали, що температура в бічній теплоізоляції за щитом почала збільшуватися значно пізніше (затримка у часі до 6 год) порівняно з температурою теплоізоляції, яка розташована на такій ж саме відстані від керна, але не відгороджена дерев'яним щитом. Тобто на протязі вказаного інтервалу часу теплота, що виділяється в зоні керна не витрачається на нагрівання теплоізоляції, а використовується на нагрів заготовок. Це і є ресурсом енергозбереження при застосуванні щитів.

У додатках проведено оцінку повних похибок результатів температурних вимірів при використанні індивідуально виготовлених термопар та штатного оптичного пірометра, представлено акт про впровадження і розрахунок економічного ефекту від впровадження результатів дисертаційної роботи; результати експериментальних вимірів температур; температурні залежності фізичних властивостей матеріалів печі; результати чисельного моделювання температурних полів і безрозмірного узагальнення температур керна для досліджених кампаній.

Висновки

В дисертаційній роботі запропоновано новий підхід до вирішення науково-технічної проблеми, яка пов'язана з покращенням технологічних, режимних і енергетичних показників роботи печей графітації постійного струму - отримання на основі експериментальних і розрахункових даних температурних залежностей керна печі графітації, які дозволять управляти процесом і визначати необхідний термін підведення потужності, а їх використання дозволить зменшити витрати енергії і застосовуваних пересипно-ізоляційних матеріалів, що призведе до зменшення собівартості одиниці продукції.

За результатами проведеної роботи можна зробити наступні висновки:

1. Встановлено ряд факторів, які впливають на показники процесу графітації. З метою вдосконалення діючого регламенту запропоновано управління процесом графітації за поточними температурами в керні, які визначаються методом чисельного моделювання, для верифікації результатів якого використані експериментальні виміри температур на діючих печах.

2. Розроблено методику і виконані експериментальні дослідження температурно-теплового режиму для 5-и кампаній графітації електродів великого перерізу (діаметри 555 і 610 мм). Для збору і запису інформації з датчиків температури використовувався високоточний вимірювальний комплекс розробки НДЦ “Ресурсозберігаючі технології” НТУУ “КПІ”. В результаті експериментальних вимірів був отриманий масив температур, який використовувався як граничні умови при чисельному моделюванні температурних полів; встановлено основні закономірності зміни температури при здійсненні технологічного процесу графітації і їх зв'язок з графіком підведення потужності.

3. Отримано чисельну модель нестаціонарного процесу нагріву заготовок в печах графітації, розроблено методику чисельного розв'язання температурних полів, яка базується на ПМГЕ. Результатами чисельного моделювання є температурні поля 5-и кампаній графітації, отримані для відповідних моментів часу, а також залежності температури керна від часу.

4. Розроблено методику визначення безрозмірних температур керна печі графітації і отримано узагальнюючу залежність безрозмірної температури И від безрозмірного часу (числа Фур'є). В результаті обробки даних отримані два рівняння для розрахунків безрозмірної температури: при Fо ? 0,205 И = - 0,0024 + 0,0847Fо, і при Fо >0,205 - И = 0,0097 + 0,0255Fо. Встановлено, що при числі Fо 0,205 настає автомодельний режим, що характеризується незначним зростанням безрозмірної температури при збільшенні числа Фур'є. Виходячи з фізичних уявлень про процес графітації визначена температура початку графітації заготовок, яка складає біля 2100^оС. Запропоновано та запроваджено методику оперативного визначення температури в керні при графітації заготовок у П-подібних печах графітації постійного струму, яка потребує тільки вимірів підведеної потужності в часі і визначення теплофізичних властивостей матеріалу заготовок при відповідних температурах.

5. Виконано оцінку енергетичної ефективності процесу графітації за величиною частки акумульованої заготовками теплоти (q_ак) і встановлені 3 характерні області її зміни: на 1-у етапі підводу потужності відбувається зменшення q_ак, на 2-у - підвищення до максимального значення 0,32...0,47 (при або ), і на 3-у - зниження до кінця кампанії. Встановлено, що інтенсифікований графік підведення електричної потужності сприяє підвищенню величини q_ак на 25 - 30 %, а використання дерев'яних щитів - на 10 - 15 % порівняно з рядовими кампаніями.

6. Для оцінки резервів для впровадження енергозбереження визначено величини основних втрат підведеної теплоти при графітації електродів в П-подібних печах постійного струму, найбільш суттєвими з яких є витрати теплоти на нагрів постелі, пересипки і теплоізоляційної шихти (32,71%); втрати теплоти з газами, що відходять, і через верх печі (28,54%); витрати теплоти на нагрів конструкційних матеріалів печі (27,59%).

7. Експериментальним шляхом встановлено, що використання дерев'яних щитів між керном і теплоізоляцією сприяє підвищенню температури керна порівняно з рядовими кампаніями, що призводить до зменшення тривалості кампанії графітації на 6 год.

8. Запропоновано та запроваджено конструкцію газозбірного утепленого зонта дозволила: зменшити теплові втрати через верх печі на 10%, зменшити об'єм теплоізоляційної засипки, що дозволило збільшити завантаження печі на 1 додатковий ряд заготовок. В результаті використання “ущільнених” схем завантаження річний об'єм товарної продукції в цеху графітації ВАТ “Укрграфіт” збільшився на 7,4 %, а питома витрата пересипних матеріалів - знизилася на 8,6 %. Економічний ефект на підприємстві від впровадження цього ресурсо- та енергозберігаючого заходу склав 2370,5 тис. грн/рік.

Список опублікованих праць по темі дисертації

1. Карвацький А.Я., Дудніков П.Й., Лелека С.В., Кутузов С.В. Використання методу граничних елементів для розв'язання нестаціонарних тривимірних задач теплопровідності// Вісті Академії інженерних наук України. 2006. № 2(29). С. 14 - 21.

Автор приймав участь у розробці чисельної методики і розрахунках температурних полів в печі графітації та їх аналізі.

2. Панов Е.Н., Кутузов С.В., Шилович И.Л., Лелека С.В., Боженко М.Ф. Оценка энергетической эффективности печей графитации постоянного тока //Енергетика: економіка, технології, екологія. 2006. №2. С. 60-65.

Автор приймав участь у експериментальних дослідженнях, розробці методики і розрахунках енергетичної ефективності.

3. Коржик М.В., Кутузов С.В. Модель температурного поля печі графітації // Наукові вісті НТУУ “КПІ”. 2007. №1. С. 17 - 23.

4. Панов Е.Н., Кутузов С.В., Лелека С.В., Шилович И.Л., Боженко М.Ф. Расчетно-экспериментальное определение температурных полей керна в П-образных печах графитации постоянного тока //Промышленная теплотехника. 2007. Том 29. №2. С. 22-28.

Автор приймав участь у експериментальних дослідженнях, розробці методики розрахунків

5. Патент України на винахід 74907. Спосіб укриття теплоізоляційної шихти печі графітації/ О.Ю. Уразліна, С.В. Кутузов, А.Г. Сасін і ін.// Офіційний бюл. України “Промислова власність”. Опубл. 15.02.06, №2, кл. С01Ц 31/00.

Автор приймав участь у розробці способу укриття теплоізоляційної шихти.

6. Панов Е.Н., Шилович И.Л., Кутузов С.В., Уразлина О.Ю., Сасин О.А., Лелека С.В., Билько В.В. Методика экспериментальных исследований тепловых режимов и построения энергобалансов печей графитации// Доклады научно-технической конференции “Электротермия - 2004”, 1 - 4 июня 2004г. г.Санкт-Петербург, 2004. С. 106-117.

Автор приймав участь у розробці методики експериментальних досліджень та побудові енергобалансів.

7. Панов Е.Н., Шилович И.Л., Карвацкий А. Я., Шилович Т.Б., Лелека С. В., Кутузов С.В. Энергосбережение в технологическом процессе графитации. Материалы ХVII Международной конференции “UKR-POWER 2005” “Энергосбережение в промышленной и коммунальной энергетике, 5-9 сентября 2005г. Ялта, 2005. С. 84-85.

Автор приймав участь у розробці енергозберігаючих заходів при графітації та виконанні розрахунків показників енергозбереження.

8. Панов Е.Н., Кутузов С.В., Уразлина О.Ю., Лелека С.В., Шилович И.Л., Карвацкий А.Я. Применение численного моделирования для совершенствования процесса графитации электродной продукции в печах Ачесона/ Сб. докладов ХІІ Международной конф. “Алюминий Сибири - 2006” 5-7 сентября 2006 г. Красноярск, 2006. С. 373-380.

Автор приймав участь у розрахунках температурних полів в печах графітації і їх аналізі.

Анотація

Кутузов С.В. Підвищення ефективності роботи печей графітаціі електродних виробів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.05.13 - Машини та апарати хімічних виробництв. - Національний технічний університет України “КПІ”, Міністерство освіти і науки України, Київ, 2007.

Дисертація присвячена комплексному дослідженню температурно- теплових режимів; отриманню часових температурних залежностей керна, що дозволяють керувати процесом графітації і визначати необхідний термін підведення потужності; розробці енергозберігаючих регламентів процесу в печах графітації постійного струму, в яких реалізується технологія Ачесона.

Розроблено методику високотемпературних досліджень печей графітації, отримано масив експериментальних даних, який використовувався як граничні умови, так і дані для верифікації чисельної моделі теплового стану печі, при чисельному моделюванні температурних полів.

Розроблено чисельну модель нестаціонарного процесу теплообміну. Для оперативної діагностики температурного стану керна в промислових умовах запропоновані безрозмірні рівняння, які дозволяють визначати середні температури заготовок в процесі графітації.

Виконано оцінку енергетичної ефективності процесу графітації за величиною частки акумульованої заготовками теплоти та відносних втрат підведеної до печі електроенергії, розроблено інтенсифікований графік підводу потужності.

Запропоновано встановлення дерев'яних щитів між керном і теплоізоляцією, що призводить до зменшення теплових втрат від керна та тривалості кампаній приблизно на 6 год.

Розроблено конструкцію газозбірного утепленого зонта печі графітації.

Ключові слова: піч графітації; температура; заготовки; керн; теплоізоляція; кампанія; потужність; акумульована теплота; теплові втрати; чисельне моделювання; енергетична ефективність.

Аннотация

Кутузов С.В. Повышение эффективности работы печей графитации электродных изделий. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.05.13 - Машины и апараты химических производств. - Национальный технический университет Украины “КПИ”, Министерство образования и науки Украины, Киев, 2007.

Диссертация посвящена комплексному исследованию температурно-тепловых режимов; получению временных температурных зависимостей керна, что позволяет управлять процессом графитации и определять необходимое время подвода мощности; разработке энергосберегающих регламентов процесса в печах графитации постоянного тока, в которых реализуется технология Ачесона.

Завершающим этапом производства графитированных электродов является графитация - высокотемпературная обработка (до (2200-2400)°С) в П-образных печах графитации. На процесс графитации оказывают влияние технологические и режимные показатели. К технологическим показателям относятся: тип и размеры печи, способ укладки керна, поперечное сечение и длинна графитируемых изделий, используемые пересыпочные материалы. Режимные показатели характеризуются уровнем температуры, равномерностью распределения по сечению керна, темпом подъема температуры, длительностью процесса, графиком подвода мощности. Основной характеристикой процесса является температура термообработки. Проведение таких высокотемпературных измерений в печах графитации и установление обратной связи между режимом ввода мощности и температурой процесса, а также сокращение расхода электроэнергии на процесс графитации является основной задачей данной работы.

Для решения поставленной задачи разработана методика экспериментального исследования высокотемпературных полей с помощью высокоточного измерительного комплекса. Производились измерения температур внутри заготовок, в теплоизоляции печи, пересыпке и конструктивных элементах печей при помощи вольфрам-рениевых и хромель-алюмелевых термопар, в торцах заготовок - оптическим пирометром и блоком непрямого измерения.

В результате исследований получен массив экспериментальных температур для 5-и кампаний печей графитации электродов большого сечения (диаметром 555 мм и 610 мм). Полученные экспериментальные данные использованы в качестве граничных условий, а также для верификации численной модели теплового состояния печи при численном моделировании температурных полей печи графитации. Установлены основные закономерности изменения температуры при проведении технологического процесса графитации и их взаимосвязь с графиком подвода мощности.

Разработана численная модель нестационарного процесса теплообмена в печах графитации, которая основывается на прямом методе граничных элементов. В результате численного моделирования получены температурные поля 5-ти кампаний графитации. Результаты расчетов совпадают с экспериментальными данными в пределах погрешности измеряемых температур.

Разработана методика определения безразмерных температур керна печи графитации и получена обобщающая зависимость безразмерной температуры И от безразмерного времени (числа Фурье). Определена температура начала графитации заготовок, которая составляет около 2100°С. Для оперативной диагностики температурного состояния керна П-образной печи при графитации заготовок, предложены безразмерные уравнения, позволяющие в промышленных условиях определять средние температуры заготовок для любого момента времени в зависимости от теплофизических свойств материалов, конструкционных размеров керна и режимных параметров процесса графитации.

Выполнена оценка энергетической эффективности процесса графитации по величине доли аккумулированной заготовками теплоты и установлены 3 характерные области ее изменения: на 1 этапе подвода мощности происходит уменьшение аккумулированной теплоты, что связано с расходом теплоты на испарение влаги из пересыпки и теплоизоляции, на 2-м - повышение до максимального значения в связи с достижением максимального значения температур, на 3-м - снижение аккумулированной теплоты происходит до конца кампании, т.к. подведенная мощность в основном расходуется на компенсацию потерь в окружающую среду.

...