НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

Цкітішвілі Енвер Омарович

УДК 658.567.1(043)

ЕНЕРГОЗБЕРІГАЮЧІ РЕЖИМИ РОБОТИ І КОНСТРУКЦІЇ

РЕГЕНЕРАТИВНИХ НАГРІВАЛЬНИХ КОЛОДЯЗІВ

05.14.06 - Технічна теплофізика і промислова теплоенергетика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2001

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в ВАТ “Алчевський металургійний комбінат” і Національній металургійній академії України.

Науковий керівник доктор технічних наук, доцент Губинський Михайло Володимирович, Національна металургійна академія України, завідувач кафедри промислової теплоенергетики.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Ольшанський Віктор Михайлович, Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ, професор кафедри теплотехніки та екології металургійних печей; кандидат технічних наук, доцент, Чепрасов Олександр Іванович, Запорізька державна інженерна академія, м. Запоріжжя, доцент кафедри автоматизації виробничих процесів, декан енерго-механічного факультету

Провідна установа: Інститут газу НАН України, відділ проблем промислової теплотехніки, м. Київ.

Захист дисертації відбудеться 24.01.2002 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 при Національній металургійній академії України за адресою 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Національної металургійної академії України (49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4).

Автореферат розіслано 23.12.2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 08. 084.03 Іващенко В.П.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Енергозбереження - основний напрямок підвищення конкурентноздатності вітчизняної продукції, зниження техногенного впливу на навколишнє середовище і зменшення залежності від імпорту паливних ресурсів в Україну. У зв'язку з цим зниження споживання первинних енергоносіїв у металургії - основній енергоспоживаючій галузі вітчизняної промисловості - є, безсумнівно, актуальною задачею.

При розв'язанні цієї задачі, як показує практика, необхідний системний підхід, який дозволяє встановити основні напрямки, що визначають максимальну економію палива в кожному металургійному переділі. Так, на фінішному етапі виробництва металургійної продукції - у прокатному виробництві - основна увага повинна приділятися зниженню втрат металу, економії палива і підвищенню стійкості устаткування. Розв'язанню цих задач і присвячено дану роботу стосовно до нагрівання зливків у регенеративних нагрівальних колодязях, що складають більше половини усього парку вітчизняних нагрівальних пристроїв обтискних цехів.

Таким чином, розробка нових енергозберігаючих режимів роботи і конструкцій регенеративних нагрівальних колодязів є актуальною задачею промислової теплоенергетики.

Зв'язок роботи з науковими програмами і планами. Дисертацію виконано відповідно до Державної програми розвитку гірничо-металургійного комплексу України до 2010 р. (КДНЗ-88-2-94) у тісному зв'язку з планами науково-дослідних робіт Національної металургійної академії України та Алчевського металургійного комбіна-ту.

Мета і задачі досліджень. Метою роботи є енергозбереження при нагріванні зливків у регенеративних нагрівальних колодязях шляхом використання нових конструкцій регенераторів і малоокислювальних режимів нагрівання зливків.

Задачі роботи:

- розробка наближеного аналітичного розв'язання задачі нагрівання зливків з урахуванням окислювання;

- теоретичне дослідження впливу теплофізичних характеристик металу та окалини, швидкості окислювання і розташування фронту окислювання на динаміку нагрівання зливків і окалиноутворення;

- розробка, дослідження і випробування в промислових умовах режиму нагрівання зливків, що забезпечує зниження втрат металу від окислювання;

- розробка і промислове випробування конструкцій насадок регенераторів, що забезпечують підвищення температури нагрівання газу і повітря з одночасним підвищенням їх стійкості;

- розробка енергозберігаючої технології нагрівання зливків без використання висококалорійного палива;

- розробка і дослідження в промислових умовах режиму двостадійного спалювання палива в регенеративному колодязі.

Наукова новизна отриманих результатів:

- отримано та адаптовано наближений аналітичний розв'язок задачі нагрівання зливків у регулярному режимі з урахуванням окислювання при незмінній температурі печі , що забезпечує визначення температурного поля металу в період томління і величини окалиноутворення;

- визначено вимоги до моделювання процесу нагрівання металу з ураху-ванням окислювання: встановлено значний вплив на точність результатів роз-рахунку величини коефіцієнта теплопровідності металу і швидкості окислювання, слабкий вплив місця тепловиділення при окислюванні металу на формування температурного поля зливків і процес окалиноутворення;

- визначено величину константи швидкості окислювання = 3500-7250 кг2/(м4с) для умов нагрівання зливків вуглецевистої сталі в регенеративних колодязях.

Практичне значення отриманих результатів.

Розроблено і впроваджено енергозберігаючі малоокислювальні режими нагрівання зливків, що забезпечують скорочення часу нагрівання в період томління на 15-30 хвилин і окалиноутворення на 5,7-12,0%.

Розроблено і впроваджено конструкції газових регенераторів, що забезпе-чують підвищення утилізації тепла димових газів і зниження питомої витрати пали-ва на 5 кг у.п./т з одночасним збільшенням тривалості міжремонтного періоду роботи регенераторів на 40-50%.

Розроблено конструкції насадок газових і повітряних регенераторів для реалі-зації двостадійного спалювання газу і проведено їх промислове випробування; двостадійне спалювання газу забезпечує зниження утворення оксидів азоту на 25-30%.

Основні положення, які виносяться автором на захист:

- наближений аналітичний розв'язок задачі нагрівання зливків з урахуванням окислювання;

- результати розрахункових досліджень впливу теплофізичних властивостей металу та окалини, швидкості окислювання, місця тепловиділення на нагрів зливків і окалиноутворення;

- розрахунково-експериментальні результати визначення константи швидкості окислювання вуглецевистої сталі при нагріванні зливків у колодязях;

- енергозберігаючі і малоокислювальні режими нагрівання зливків у регенеративних колодязях;

- конструкції регенераторів, що забезпечують підвищення темератури нагріву повітря і газу, а також стійкості їхньої роботи;

- результати промислових досліджень двостадійного спалювання палива в регенеративних колодязях.

Особистий внесок здобувача. Експериментальні дослідження, наведені в дисертаційній роботі, виконані під керівництвом і за беспосередньою участю автора разом із співробітниками ВАТ "Алчевський металургійний комбінат" і Національної металургійної академії України. Результати досліджень опубліковані в співавторстві з ними. Опрацювання дослідних даних, теоретичні і розрахункові дослідження проведені автором самостійно.

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи було повідомлено й обговорено на:

·

· міжнародній науково-технічній конференції "Х Бенардосовские чтения", червень 2001 р., м. Іваново, Росія;

· 3-й міжнародній науково-практичній конференції "Проблеми економії енергії", жовтень 2001 р., м. Львів.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 8 друкованих робіт, з котрих 3 - статті в спеціалізованих наукових журналах, 3 - у збірниках наукових праць, 2 - у працях і тезах науково-практичних конференцій і отримано два патенти України на винаходи.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літературних джерел, викладена на 152 сторінках, включає 24 таблиці, 25 малюнків, 4 додатки. Список використаної літератури містить 112 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано актуальність роботи, сформульовані мета і задачі дисертації, а також основні наукові і практичні результати. Визначено особистий внесок автора і відомості про апробацію роботи.

У першому розділі роботи на підставі системного підходу виконано аналіз структури енерговитрат при виробництві металопродукції, який показав, що на етапі прокатки зливків на обтискних станах, поряд з традиційними напрямками економії палива, пріоритетними є: зниження втрат металу в окалину; підвищення стійкості устаткування колодязів; економія природного і коксового газів.

Аналіз робіт Н.Ю.Тайця, Ю.І.Розенгарта, А.М.Мінаєва, В.Й.Губинського, В.М.Ольшанського та інших з нагріву і окислювання металу в печах дозволив встановити, що процес окалиноутворення визначає температурне поле зливка наприкінці нагріву і незначно впливає на його тривалість. Основними шляхами зниження окалиноутворення є: змінювання окислювальної здатності пічної атмосфери за рахунок поліпшення процесу спалювання палива; розробка режимів із скороченою тривалістю нагріву зливків при температурі їх поверхні t>900°C; виключення місцевого перегріву зливків шляхом відмови від використання палива з підвищеною теплотою згоряння. Підвищення температури нагрівання повітря і доменного газу в регенераторах, підвищення їх стійкості, поліпшення спалювання палива і зниження шкідливих викидів в атмосферу є комплексною задачею, яка може бути вирішена на регенеративних колодязях шляхом створення ефективних конструкцій регенеративних насадок.

Другий розділ роботи присвячено дослідженню впливу швидкості окислювання, теплофізичних властивостей окалини і металу, а також місця тепловиділення при окислюванні на динаміку нагріву металу і процес окалиноутворення. Дослідження проводилося шляхом розв'язання спряженої задачі нагрівання зливка з урахуванням окислювання, яка включає рівняння теплопровідності:

- для зливка циліндричної форми

, (1)

і для плоского шару окалини

(2)

з початковими і граничними умовами

, де , (3)

а також умови спряження окалини і поверхні зливка

(4)

Швидкість окислювання визначалася на основі закону Вагнера. При розв'язанні задачі прийнято припущення, що грунтуються на відомих результатах експериментальних і теоретичних досліджень нагрівання металу з окислюванням: процес нагрівання з окислюванням відбувається в регулярному режимі при незмінній у часі температурі печі; питома теплоємність окалини = 0; коефіцієнт теплообміну від печі до металу і теплофізичні властивості металу і окалини прийняті незмінними; процес окалиноутворення відбувається зі сталою швидкістю ; при розв'язанні задачі розглянуто два варіанти виділення теплоти окислювання: на поверхні окалини і на поверхні неокисленого металу. Ці припущення дозволили з використанням методу теплової діаграми, розробленого Й.Д.Семикіним, одержати аналітичні вирази:

- для обчислення середньомасової температури зливка при виділенні теплоти окислювання на поверхні окалини

(5)

- для визначення тривалості періоду томління зливків при

де ; ; . (6)

Аналогічний розв'язок отримано і для випадку тепловиділення на поверхні неокисленного металу. Адаптація аналітичного розв'язку проводилася шляхом порівняння з даними числового дослідження процесу нагрівання зливків з урахуванням окислювання. Вона показала, що похибка розрахунків температурного поля і величини окалиноутворення не перевищує 5%.

З використанням аналітичного розв'язку (5), (6) досліджено формування температурного поля зливка наприкінці нагрівання та окалиноутворення при зміні слідуючих параметрів у діапазонах: швидкості окислювання - 3,7Ч10-7 ...6,35Ч10-7 м/с, температури печі – 1340...1380°С, коефіцієнта теплопровідності металу – 25...35 Вт/(мЧК), густини металу – 7000...7800 кг/м3, коефіцієнта теплопровідності окалини 1,62...2,3 Вт/(мЧК), еквівалентних розмірів зливків R = 0,43...0,5 м, а також місця тепловиділення при окалиноутворенні. Результати дослідження показали, що на формування температурного поля основний вплив чинять коефіцієнт теплопровідності металу і розміри зливка. Величина окалиноутворення визначається швидкістю окислювання (рис. 1) і тривалістю нагрівання при температурі поверхні зливка більш 900°С. Решта параметрів слабко впливає на досліджувані процеси, у тому числі і місце виділення тепла від реакції окислювання металу (рис. 2).

Аналіз отриманих результатів дозволив визначити напрямки зменшення окалиноутворення та їх потенціал: зменшення окисних властивостей пічних газів шляхом поліпшення процесу спалювання палива може забезпечити зниження товщини шару окалини на 0,75-1,2 мм при зниженні швидкості окислювання на 1Ч10-7м/с; зниження середньої по масі температури нагрівання зливків на кожні 10°С и відповідне скорочення часу нагрівання на 10-11 хвилин дозволяють зменшити величину шару окалини на 0,21-0,37 мм у залежності від швидкості окислювання. Зниження окалиноутворення в результаті скорочення тривалості нагрівання можливо шляхом удосконалювання реальних теплових режимів і розробки заходів, спрямованих на підвищення якості слалювання палива.

У третьому розділі роботи подано числовий розв'язок спряженої задачі нагрівання зливків з урахуванням окислювання, алгоритм якого грунтується на використанні методу елементарних теплових балансів і чотириточкової неявної схеми розрахунку. При моделюванні враховували залежність коефіцієнта теплопровідності металу від температури та рекомендації, отримані при дослідженні наближеного аналітичного розв'язку.

Графіки зміни температури печі в промислових умовах дозволили за допомогою розробленої програми визначити зміну температури окалини в процесі нагрівання. Ці дані і результати експериментального дослідження товщини шару окалини, що проведене методом планиметрування, лягли в основу визначення константи швидкості окислювання стосовно нагрівання зливків у регенеративних колодязях. При цьому розрахункова крива температури поверхні окалини, починаючи з 900°С, розділялася на 5-7 інтервалів тривалістю 0,4-0,5 г. Обчислення константи швидкості окислювання проводилося по залежності

(7)

Дослідження проводилися на зливках теплого, гарячого і холодного посадів. Результати досліджень показали, що величина константи швидкості окислювання для умов нагрівання зливків вуглецевистих сталей у регенеративних колодязях складає від 3500 кг2/м4с до 7250 кг2/м4с, при цьому більші значення відносяться до зливків холодного посаду, коли окислювання частково відбувається в період опалювання колодязя коксодоменною сумішшю.

З використанням розробленої програми розрахунку нагрівання й експериментальних даних про режими нагрівання зливків, отриманих у промислових умовах, встановлено, що при відключенні висококалорійного газу на початку періоду томління спостерігається падіння температури в робочому просторі колодязя на 30-50?С. Причиною цього є дефіцит теплової потужності, що призводить до подовження нагрівання зливків у другому періоді на 15-30 хвилин і додаткового росту шару окалини на 0,7-1,2 мм.

У дисертації розроблено і випробувано у промислових умовах енергозберігаючий малоокислювальний режим нагрівання зливків, що забезпечує ліквідацію дефіциту теплової потужності при переході до періоду томління. У цьому випадку регулювання температури в колодязі проводилося за рахунок поступового зниження частки доменного газу в коксодоменній суміші до 75-85% від його максимального вмісту, після чого відбувалося повне відключення коксового (природного) газу, як вказано на рис. 3 (патент України 41149А). У результаті час томління скоротився на 15-30 хвилин і знизився угар

металу для зливків теплого і гарячого посаду на 5,7-11,3%, для зливків

холодного посаду - на 6,5-12,0%. Впровадження розробленого режиму нагрівання у відділенні нагрівальних колодязів ВАТ "Алчевський металургійний комбінат" забезпечило реальний економічний ефект 436069,29 грн/рік за рахунок зниження окалиноутворення 0,25 кг/т і економії палива 0,3 кг у.п/т.

У четвертому розділі роботи досліджено характер виходу з ладу насадки газового регенератора, стійкість якого визначає тривалість міжремонтного періоду експлуатації колодязя. Основною причиною виходу з експлуатації регенеративних колодязів є обплавлення вогнетривів у верхньому ярусі насадки газового регенератора через високу температуру і хімічну взаємодію з оксидами металу. Задача підвищення стійкості насадки вирішена шляхом укладання 4-6 рядів верхнього ярусу вогнетривів насадки по системі Каупера, а іншої частини насадки - по системі Сименса (патент України 40327А). Насадка Каупера має суцільні вертикальні канали, у яких відсутні відкриті ребра і горизонтальні поверхні цеглин, при цьому гарантується висока будівельна міцність внаслідок перев'язки всіх цеглин між собою. Промислові іспити нової конструкції насадки показали, що вона забезпечує збільшення міжремонтного періоду експлуатації колодязя на 40-50%.

Для підвищення ефективності роботи регенераторів використано брускові вогнетриви, які дозволили збільшити температуру підігріву газу і повітря на 40-50°С внаслідок збільшення поверхні нагрівання насадки, при цьому середній коефіцієнт використання палива в колодязі в перший період нагрівання виріс з 0,756 до 0,778. Підвищення ефективності роботи регенераторів дозволило відмовитися від використання висококалорійного газу в перший період нагрівання, що, з одного боку, призвело до збільшення перепаду температур у зливках і зниженню середньомасової температури на 20-25°С, але з іншого боку, у результаті впровадження нового режиму нагрівання відбулося зниження втрат металу в окалину на 1,15 кг/т і питомої витрати палива на 5 кг у.п./т. Очікуваний економічний ефект склав 203339,61 грн/рік на одній групі колодязів.

У роботі запропонована і пройшла промисловий іспит нова конструкція насадок газового і повітряного регенераторів (рис. 4), яка забезпечує поліпшення перемішування газу і повітря і двостадійне спалювання палива: часткове спалювання над насадкою повітряного регенератора шляхом подачі газу і повітря під кутом один до одного і допалювання над насадкою газового регенератора. Це дозволило практично цілком виключити недопал палива у робочому просторі колодязя і зменшити швидкість утворення оксидів азоту за рахунок зниження температури горіння (таблиця). Економія палива склала 1,67 кг у.п/т. Одночасно з цим відбулося зменшення нерівномірності температурного поля по висоті колодязя, у результаті чого скорочено тривалість нагріву на 5,9% і знижено перепад температур по висоті зливка на 30-40°С.

Таблиця

Усереднений склад продуктів горіння в перший період нагрівання зливків

Склад продуктів горіння Одиниці виміру Режим спалювання

одностадійний двостадійний

СО2 % 16,0 22,0

СО % 5,6 0,45

NOx мг/м3 275-300 170-180

ВИСНОВКИ

У дисертації визначені основні напрямки енергозбереження при нагріванні зливків у регенеративних нагрівальних колодязях: підвищення температури нагрівання газу і повітря, підвищення стійкості регенераторів, зниження окалиноутворення при нагріванні. Досліджено вплив теплофізичних характеристик металу і окалини, швидкості окислювання і розташування фронту окислювання на нагрів і окалиноутворення зливків. Розроблено нові енергозберігаючі режими нагрівання і конструкції насадок регенераторів. Розроблені режими пройшли промислову апробацію і впроваджені у виробництво. Задача енергозбереження була вирішена завдяки проведенню теоретичних і промислових досліджень роботи регенеративних колодязів. Проведені дослідження дозволяють зробити такі узагальнення і висновки:

1. Системний аналіз енергоємності металургійної продукції показав, що на етапі прокатки зливків на обтискних станах, поряд із традиційними напрямками економії палива, пріоритетними є такі напрямки енергозбереження: зниження втрат металу в окалину; підвищення стійкості устаткування колодязів;економія природного і коксового газів та максимальне використання доменного газу.

2. Із використанням отриманого наближеного аналітичного розв'язання задачі нагрівання зливків у завершальній стадії нагрівання, при , з урахуванням окислювання, проведене розрахункове дослідження впливу швидкості окислювання, режимних параметрів і теплофізичних властивостей металу зливків і окалини на температурне поле зливків і окалиноутворення, яке привело до таких висновків:

- зміна швидкості окислювання в діапазоні 3,7Ч10-7...6,35Ч10-7 м/с слабко впливає на зміну тривалості нагрівання і температурне поле зливка, тому що з ростом теплового потоку від виділення теплоти окислювання одночасно збільшується ефект теплового екранування поверхні металу шаром окалини;

- вибір місця тепловиділення при моделюванні окалиноутворення (на поверхні окалини або на поверхні металу) слабко впливає на результати обчислення основних показників якості нагрівання зливків: час нагрівання зливків змінюється на 9-13%, товщина шару окалини - на 8-9%.

3. Аналіз впливу різних чинників на процес окалиноутворення при нагріванні зливків дозволив визначити напрямки зниження втрат металу в окалину і їх потенціал:

- зниження окисних властивостей пічних газів шляхом поліпшення процесу спалювання палива може забезпечити зменшення товщини шару окалини на 0,75-1,2 мм при зниженні швидкості окислювання на 1Ч10-7 м/с;

- зниження середньої по масі температури нагрівання зливків на кожні 10°С і відповідне скорочення часу нагрівання на 10-11 хвилин дозволять зменшити товщину шару окалини на 0,21-0,37 мм у залежності від швидкості окислювання.

4. На основі розробленої програми розрахунку нагрівання зливків методом кінцевих різниць і експериментальних графіків зміни температури печі в процесі нагрівання вперше визначено значення константи швидкості окислювання при нагріванні зливків у регенеративних колодязях =3500-7250 кг2/м4с.

5. Розроблено і випробувано у промислових умовах енергозберігаючий малоокислювальний режим нагрівання зливків, що забезпечує ліквідацію дефіциту теплової потужності (патент України № 41149А). При цьому час томління скоротився на 15-30 хвилин і знизився угар металу на 5,7-12,0%. Впровадження розробленого режиму нагрівання у відділенні нагрівальних колодязів ВАТ "Алчевський металургійний комбінат" забезпечило одержання економічного ефекту 436069,29 грн/рік за рахунок зниження окалиноутворення на 0,25 кг/т та економії палива 0,3 кг у.п/т.

6. Розроблена і випробувана в промислових умовах удосконалена конструкція регенераторів з укладкою 4-6 рядів верхнього ярусу вогнетривів насадки по системі Каупера, а іншої частини насадки - по системі Сименса (патент України № 40327А). Використання нової конструкції насадки забезпечує збільшення міжремонтного періоду експлуатації колодязя на 40-50% і температури підігріву повітря і газу на 40-50°С. Це дозволило розробити енергозберігаючий малоокислювальний режим нагріву зливків без використання висококалорійного газу в перший період нагріву металу. У результаті впровадження режиму досягнуте зниження питомої витрати палива на 5 кг у.п./т, зменшення угару металу в окалину на 1,15 кг/т; економічний ефект на одній групі колодязів складає 203339,61 грн/рік.

7. Розроблена і випробувана в промислових умовах конструкція регенераторів, що забезпечує двостадійний режим спалювання газу. У результаті використання розробленої конструкції регенераторів і двостадійного спалення палива забезпечується практично повна ліквідація недопалу палива, зниження викидів оксидів азоту на 25-30%; зниження питомої витрати палива складає 1,67 кг у.п./т.

Позначення: - товщина шару окалини, м; t - температура, °С; t - час, с; R,r - зовнішній і поточний радіуси зливка, м; l - коефіцієнт теплопровідності, Вт/(мЧК); а- коефіцієнт температуропровідності, м/с2; - параметри, що характеризують кинетику окислювання металу в атмосфері печі, кг2/(м4с), К, відповідно; М - маса окалини, кг/ м2; q - щільність теплового потоку, Вт/м2; - тепловий ефект реакції окислювання, Дж/кг; , - коефіцієнти усереднення теплового потоку і температури для циліндричного зливка.

Індекси : ок - окалина; м - метал; н - початкове значення; i - номер розрахункового інтервалу графіка температури окалини; печ - піч.

Основний зміст дисертації опубліковано в слідуючих наукових працях:

1. Совершенствование способа отопления регенеративных нагревательных колодцев./ Э.О. Цкитишвили, Н.П. Свинолобов, В.Ф. Сапов, А.А. Заикин// Системные технологии, Региональный межвузовский сборник научных трудов.-Выпуск 1(12).-Днепропетровск, 2001. – С. 61-68.

2. Повышение эффективности работы регенеративных нагревательных колодцев /Э.О.Цкитишвили, М.В.Губинский, В.Ф.Сапов, Н.А.Кияшко, А.А.Заикин // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2001. - №2. – С. 100 – 102.

3. Усовершенствованная система управления температурным режимом нагревательных колодцев./ Э.О. Цкитишвили, В.Ф. Сапов, В.В. Кирсанов , А.А. Заикин // Металлургическая теплотехника, Днепропетровск, 2001, том 4. С. 65-68.

4. Цкитишвили Э.О., Свинолобов Н.П., Губинский М.В. Аналитический расчёт окислительного нагрева металла в колодцах // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2001. - №4. – С. 86-88.

5. Улучшение топливоиспользования в регенеративных нагревательных колодцах /Цкитишвили Э.О., Сапов В.Ф., Свинолобов Н.П., Кияшко Н.А. // Iнтегровані технології та енергозбереження. – 2001. - №2. – С. 13-15.

6. Повышение экологической эффективности работы нагревательных колодцев /Э.О.Цкитишвили, Н.А.Кияшко, В.Ф.Сапов, М.В.Губинский, А.А.Заикин // Металлургическая теплотехника, – 2001, том 4. – С. 135 – 139.

7. Анализ путей энергосбережения при нагреве слитков в регенеративных нагревательных колодцах. /Цкитишвили Э., Губинский М., Сапов В., Кияшко Н. // Тез. докл. Международной конференции "Проблеми економії енергії" - Львів, Львівська політехніка, 2001.- С. 175.

8. Совершенствование способа отопления и системы управления тепловым режимом нагревательных колодцев/ Э.О. Цкитишвили, В.Ф. Сапов, М.В. Губинский, А.А. Заикин // Тез. докл. Международной научно-технической конференции "Состояние и перспективы развития электротехнологии" (Х Бенардосовские чтения), июнь 2001, Иваново, ИГЭУ. С. 180.

9. Патент України № 41149А МКИ С21Д9/70 Спосіб опалення регенеративного нагрівального колодязя/ Цкітішвілі Е.О., Сапов В.Ф., Кияшко М.А. та ін.- Опубл. 15.08.2001, Бюл. №7.

10. Патент України № 40327А МКИ С21Д9/70 Регенеративний нагрівальний колодязь/ Цкітішвілі Е.О., Сапов В.Ф., Кияшко М.А. та інш.- Опубл. 16.07.2001 Бюл. №6.

АНОТАЦІЇ

Цкітішвілі Е.О. Енергозберігаючі режими роботи і конструкції регенеративних нагрівальних колодязів. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06. - технічна теплофізика і промислова теплоенергетика. -Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2001.

Дисертацію присвячено енергозбереженню при нагріванні зливків у регенеративних нагрівальних колодязях. На основі системного підходу визначені три найбільш ефективні напрямки енергозбереження: зниження втрат металу в окалину, підвищення стійкості устаткування, зниження витрат палива шляхом поліпшення утилізації тепла димових газів. Отримано наближений аналітичний розв'язок задачі нагрівання зливків з урахуванням окислювання, на основі якого проведено дослідження впливу теплофізичних властивостей металу та окалини, швидкості окислювання, місця тепловиділення при окислюванні на формування температурного поля та окалиноутворення. Результати дослідження показали, що на формування температурного поля і динаміку нагрівання основний вплив мають коефіцієнти теплопровідності металу і розміри зливка. Розмір окалиноутворення визначається швидкістю окислювання і тривалістю нагрівання при температурі поверхні зливка більш 900°С, яка у свою чергу залежить від коефіцієнта теплопровідності зливка. Інші параметри слабко впливають на досліджувані процеси, у тому числі і місце виділення тепла від реакції окислювання металу. Експериментально визначено розмір константи швидкості окислювання металу для умов нагрівання зливків вуглецевистої сталі в регенеративних колодязях. Розроблено, випробувано і впроваджено режим нагрівання, який забезпечує економію палива і зниження втрат металу з окалиною. Розроблені, досліджені і впроваджені нові конструкції насадок регенераторів, що забезпечили підвищення температури нагрівання газу і повітря, економію палива, підвищення стійкості насадок, можливість відмови від використання висококалорійного газу при опалюванні колодязів. Розроблена і випробувана в промислових умовах конструкція регенераторів, що забезпечує двостадійний режим спалювання газу.

Ключові слова: енергозбереження, малоокислювальний режим нагрівання, константа швидкості окислювання, вогнетривна насадка регенератора, підвищення температури нагрівання, двостадійне спалювання палива.

Цкитишвили Э.О. Энергосберегающие режимы работы и конструкции регенеративных нагревательных колодцев. Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06.- техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. - Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск,2001.

Диссертация посвящена энергосбережению при нагреве слитков в регенеративных нагревательных колодцах. На основе системного подхода определены три наиболее эффективные направления энергосбережения: снижение потерь металла в окалину, повышение стойкости оборудования, снижение затрат топлива путем улучшения утилизации тепла дымовых газов. Получено приближенное аналитическое решение задачи нагрева слитков с учетом окисления, на основе которого проведено исследование влияния теплофизических свойств металла и окалины, скорости окисления, места тепловыделения при окислении на формирование температурного поля и окалинообразование. Результаты исследования показали, что на формирование температурного поля и динамику нагрева слитков основное влияние оказывают величина коэффициента теплопроводности металла и размеры слитка. Величина окалинообразования определяется скоростью окисления и продолжительностью нагрева при температуре поверхности слитка более 900°С, которая в свою очередь зависит от коэффициента теплопроводности слитка. Остальные параметры слабо влияют на исследуемые процессы, в том числе и место выделения тепла от реакции окисления металла.

На основе численного решения сопряженной задачи нагрева слитков с учетом окисления экспериментально определена величина константы скорости окисления металла cОК =3500-7250 кг2/(м4с) для условий нагрева слитков углеродистой стали в регенеративных колодцах.

Разработан, опробован и внедрен режим нагрева слитков, обеспечивающий сокращение времени их томления путем ликвидации дефицита тепловой мощности при отключении высококалорийного газа. При этом достигнуто уменьшение потерь металла в окалину на 5,7-12%.

Разработаны, исследованы и внедрены новые конструкции насадок регенераторов, верхняя часть которых выполнена по системе Каупера, а нижняя – по системе Сименса из брусковых огнеупоров. Новая конструкция обеспечивает повышение температуры нагрева газа и воздуха на 40-50°С,снижение удельного расхода топлива на 5,0 кг у.т/т, увеличение длительности межремонтного периода работы колодцев на 40-50%, возможность отказа от использования высококалорийного газа при отоплении колодцев, уменьшение потерь металла в окалину на 1,15 кг/т.

В работе предложена и прошла промышленное испытание новая конструкция насадок газового и воздушного регенераторов, которая обеспечивает улучшение перемешивания газа и воздуха и двухстадийное сжигание топлива: частичное сжигание над насадкой воздушного регенератора путем подачи газа и воздуха под углом друг к другу и дожигание над насадкой газового регенератора. Это позволило практически полностью исключить недожог топлива в рабочем пространстве колодца и за счет снижения температуры горения уменьшить образование оксидов азота. Одновременно с этим произошло уменьшение неравномерности температурного поля по высоте рабочего пространства колодца, в результате чего сокращена длительность нагрева на 5,9% и снижен перепад температур по высоте слитка на 30-40°С.

Экономический эффект от внедрения результатов диссертационной работы составил 639408,9 грн/год за счет экономии топлива и снижения потерь металла в окалину.

Ключевые слова: энергосбережение, малоокислительный режим нагрева, константа скорости окисления, огнеупорная насадка регенератора, повышение температуры нагрева, двухстадийое сжигание топлива.

Tzkitishvili E.O. Energy Saving Operational Regimes and Designs of Regenerative Soaking Pits. Manuscript. The dissertation is submitted to obtain the Candidate of Science academic degree. (Specialty 05.14.06. – Technical Thermal Physics and Industrial Heat Power Engineering). National Metallurgical Academy of Ukraine, Dniepropetrovsk

The dissertation is focusing on energy saving in the process of ingot heating in regenerative soaking pits. On the basis of systemic approach three most efficient energy saving strategies have been determined: reduction of metal losses in slag, enhancing equipment stamina and minimizing fuel expenditure by better utilization of flue gases heat.

An approximated analytical solution for the process of ingot heating and oxidizing allowed to specify the influence of thermophysical properties of metal and slag, of oxidizing velocity, location of heat radiation on the temperature field and slag formation.

The value of the constant oxidizing rate for carbonated steel ingot heating in regenerative pits was obtained through the experiment.

The heating regime ensuring fuel saving and reducing metal losses in slag has been developed, tested and commercialized.

New designs of regenerative fillings have been worked out, investigated and put into practice. They allow to increase heating temperature of gas and air, to save fuel, to improve the filling resilience, to stop using high calorie gas for pit heating.

The two-stage gas burning design of regenerators has been developed and tested on commercial scale.

Key words: energy saving, low oxidizing heating regime, constant of oxidizing rate, refractory filling of regenerator, increase of heating temperature, two-stage gas burning process.