Національна академія наук України

Інститут газу

Троценко Лариса Миколаївна

УДК 621.783.22

"ДОСЛІДЖЕННЯ І ВДОСКОНАЛЕННЯ ТЕПЛОВОЇ РОБОТИ РЕКУПЕРАТИВНИХ НАГРІВАЛЬНИХ КОЛОДЯЗІВ З ВЕРХНІМ ОПАЛЮВАННЯМ"

Спеціальність 05.14.06 – технічна теплофізика і промислова

теплоенергетика

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2002

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано у відділі проблем промислової теплотехніки Інституту газу НАНаук України

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Єринов Анатолій Єремійович, Інститут газу НАН України, завідувач відділу проблем промислової теплотехніки.

Офіціальні опоненти:

доктор технічних наук, старший науковий співробітник Носач Вільям Григорович, Інститут технічної теплофізики НАН України, провідний науковий співробітник;

кандидат технічних наук, Цветков Сергій Вікторович, Державний центр по випробуванню і впровадженню паливовикористовуючого обладнання, директор.

Провідна установа:

Донецький Національний технічний університет (кафедра "Промислова теплоенергетика").

Захист відбудеться 04.07.2002 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.255.01 в Інституті газу НАН України за адресою: 03113 Київ, вул. Дегтярівська, 39.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Інституту газу НАН України за адресою: 03113 Київ, вул. Дегтярівська, 39.

Автореферат розісланий 01.06.2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук Ільєнко Б.К.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Стан проблеми. Розвиток металургійної промисловості України в умовах конкурентної боротьби обумовлює значне підвищення вимог до якості металопродукції та викликає потребу в зниженні витрат енергетичних і сировинних ресурсів на всіх стадіях виробництва. Понад 50 % сталі в Україні виплавляється в мартенівських печах, у той час як середньосвітовий рівень їх використання лише 5,2 %. Тому у виробництві прокату мають велике застосування нагрівальні колодязі, що обслуговують обжимні стани. Теплотехнічні і технологічні процеси, що відбуваються в них, значною мірою впливають на виробництво чорних металів, їх якість і собівартість.

Нагрівальні печі й колодязі є найбільшими споживачами палива. Вони займають третє місце (10–15 %) після доменного та сталеплавильного виробництв за споживанням теплової енергії у чорній металургії. Проте корисне тепловикористання в промислових печах України і країн СНД залишається незадовільним, складаючи 30–40 %.

Поряд із питомою продуктивністю і питомим споживанням палива на нагрів одиниці продукції ефективність використання нагрівальних колодязів оцінюється й іншими показниками: розміром угару металу, витратою вогнетривких матеріалів, часом оберту колодязя, тривалістю роботи устаткування та ін.

При незмінних розмірах робочого простору нагрівальних колодязів, сортаменті і технологічних параметрах сталей, підвищення ефективності нагріву металу можливо за рахунок удосконалення системи опалення і окремих конструктивних елементів, а також оптимізації режимів роботи колодязів. Вирішувати ці питання необхідно з урахуванням зростаючих вимог до якості готової продукції. Щодо нагрівальних колодязів це означає рішення проблеми відповідності полів температури нагрівального середовища і виробів, що нагріваються, за умов рівномірності і максимально припустимої інтенсивності зовнішнього теплообміну. Тому підвищення ефективності використання нагрівальних печей у металургійному виробництві є задачею складною, рішення якої можливо при проведенні комплексних досліджень теоретичними й експериментальними методами.

Актуальність роботи. Дисертація присвячена розробці оптимального напрямку підвищення економічності роботи колодязів з верхнім опалюванням, в яких нагрівають до третини загальної кількості зливків, що прокатуються на обжимних станах в Україні.

Нагрівальні колодязі з одним верхнім пальником, що працюють у камерному режимі, відрізняються великою нерівномірністю температурного поля в робочому просторі. Розташування полум'я у верхній частині робочого простору і рух основної маси продуктів горіння в осьовій площині колодязів за підковоподібною траекторією викликає значну нерівномірність нагрівання зливків за їх висотою і перетином, а особливості тепловиділення розвинутого у довжину дифузійного полум'я призводить до нерівномірного нагріву металу за довжиною робочої камери. Найбільш несприятливою частиною робочого простору за умовами нагрівання є область під пальниковою стіною. Майже 25 % зливків, що нагріваються, мають більш низький тепловміст, ніж уся садка. Це призводить до подовження усього процесу теплового опрацювання металу за рахунок збільшення періоду томління та погіршення техніко-економічних показників роботи нагрівальних колодязів.

Вирішення задачі поліпшення рівномірності нагріву металу дозволить підвищити ефективність роботи нагрівальних колодязів та якість нагріву металу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Основні аналітичні й експериментальні результати дисертаційної роботи отримані в результаті виконання науково-дослідних робіт за планами Донецького металургійного заводу та Інституту газу Національної академії наук України. Робота виконувалася відповідно до програми "Енергокомплекс" Міністерства чорної металургії УРСР.

Мета і задачі дослідження: підвищення економічності та якості нагріву металу за рахунок мінімізації нерівномірності температурного поля робочого простору колодязів та тривалості теплового опрацювання зливків, розробка і впровадження нової системи опалення нагрівальних колодязів та раціональної технології нагріву.

Задачі дослідження, пов'язані з метою дисертаційної роботи:

·

· дослідження впливу "старіння" устаткування на основні показники теплової роботи колодязів;

· дослідження теплової роботи нагрівальних колодязів з верхнім опалюванням при організації додаткової зони опалення;

· дослідження температурних полів у робочому просторі нагрівальних колодязів, що працюють за традиційною і новою схемами опалення;

· дослідження теплового стана зливків при двосторонньому нагріванні;

· розробка гнучкої технології нагрівання металу, що враховує нестабільну роботу прокатного стану.

Наукова новизна отриманих результатів:—

наведено аналіз перспективних напрямків підвищення інтенсивності теплообміну та зменшення нерівномірності температурного поля в нагрівальних колодязях;—

вперше проведено промислове випробування нової конструкції нагрівального колодязя з верхнім опаленням, у якому здійснений двосторонній симетричний нагрів зливків;—

проведено виміри температури в тілі зливка впродовж його нагріву в колодязях, що працюють за традиційною і новою схемами опалення; —

розроблена і випробувана в промислових умовах гнучка технологія нагрівання металу при нестабільній роботі прокатного стану;—

розроблена методика обчислювання нагріву зливків впродовж попередньої витримки в колодязях з урахуванням охолодження в виливницях та тривалості витримки.

Практичне значення отриманих результатів:

·

·

·

· отримані експериментальні дані про розподіл температури в робочому просторі й у тілі зливків в удосконаленому та типовому колодязях;

· запропоновані і реалізовані на практиці раціональні режими нагріву металу з урахуванням прогнозованих простоїв прокатного стана;

· впроваджено новий засіб чищення поду та розігріву кладки, що підвищує термін служби колодязів.

Промислове впровадження. Впроваджено реконструкцію пальникового пристрою на колодязях з подовженою робочою камерою.

На нагрівальних колодязях обжимного цеху Донецького металургійного заводу (ДМЗ) змінено розміри та профіль каналів, що відводять продукти згоряння. Економічний ефект від впровадження в 1989 році склав 27 000 руб.

Нова система опалення з використанням додаткової зони пройшла промислові іспити на одному з діючих колодязів ДМЗ. Робота з додатковими пальниками показала, що підвищилися рівномірність нагріву і точність ведення процесу; зросла продуктивність колодязя на 12–20 %; зменшилася питома витрата тепла на нагрів металу на 15 %.

В обжимному цеху ДМЗ впроваджена гнучка технологія нагріву зливків, яка враховує прогнозовані простої стана. Економічний ефект у перший рік впровадження склав 170 000 грн.

Впроваджено новий засіб чищення пода та розігріву кладки стін колодязів обжимного цеху ДМЗ. Термін служби колодязів між холодними ремонтами збільшився від 3,5–4,0 до 7–8 місяців.

Особистий внесок здобувача. Експериментальні й аналітичні дослідження, що увійшли в дисертаційну роботу, виконані безпосередньо автором за участю співробітників ЦЗЛ і обжимного цеху ДМЗ, а також відділу проблем промислової теплотехніки Інституту газу НАН України. Результати опубліковані в співавторстві з ними. Опрацювання даних, отриманих у ході досліджень, і узагальнення результатів зроблені автором самостійно.

Апробація результатів. Результати роботи доповідались на науково-технічних конференціях "Экономия топлива в промышленных печах при рекуперативном подогреве воздуха" (Київ, 1986) та "Горелочные устройства в черной металлургии. Опыт разработки, изготовления и эксплуатации, перспективы развития" (Свердловск, 1988).

Публікації. Основні результати роботи опубліковані в 5 науково-технічних статтях у фахових виданнях, у тому числі в одній статті без співавторства та в 2 авторських свідоцтвах.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних літературних джерел з 170 найменувань, 8 додатків. Загальний обсяг дисертації становить 209 сторінок, у тому числі 40 рисунків і 22 таблиці.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми дисертації і сформульовані мета та задачі дослідження, визначені наукова новизна та практичне значення роботи, наведені дані про реалізацію одержаних результатів, особистий внесок здобувача, апробації та публікації.

У першому розділі виконано аналіз літературних джерел, в яких описані особливості роботи нагрівальних колодязів, наведено порівняльний аналіз основних переваг та недоліків теплової роботи колодязів різних типів. Проаналізовано сучасний стан нагрівальних колодязів в чорній металургії України, описані та систематизовані різні напрямки покращення техніко-економічних показників їх роботи. В результаті проведеного аналізу встановлено, що існуючі розрізнені аналітичні та промислові дослідження, що виконувалися напротязі останніх років, не визначили такого виду вдосконалення колодязів, який би суттєво змінював характер та особливості нагріву метала в них. Виявлено, что на економічність роботи нагрівальних колодязів впливає нерівномірність температурного поля в робочій камері, інтенсивність теплообміну і пов'язаний з цими показниками тепловий режим.

В рекуперативних нагрівальних колодязях з верхнім опалюванням значна нерівномірність нагріву за довжиною робочого простору зберігається до кінця нагрівання. Велика тривалість періоду томління знижує експлуатаційні показники колодязів і призводить до збільшення окалини, що утворюється. При затримках видачі готового металу з колодязів економічність їх роботи ще більше знижується.

Важливим є рішення проблеми підвищення ефективності роботи нагрівальних колодязів завдяки створенню умов для рівномірного нагріву зливків у робочій камері і розробці оптимальних режимів нагріву металу при змінній продуктивності колодязів.

У розділі наведено аналітичне дослідження закономірностей зовнішнього теплообміну, зниження питомих витрат палива на нагрів і підвищення питомої продуктивності нагрівальних колодязів.

Основними факторами, що визначають рівень продуктивності колодязів, є тривалість нагріву й умови теплообміну в робочому просторі. Залежність питомої продуктивності від температури газів, що гріють, умов теплообміну в робочому просторі й теплового стану металу має вигляд:

p = ,

де спр — наведений коефіцієнт випромінювання, Вт/м2.К4; Теф, Тм — ефективна температура нагрівальних газів та металу, К; Fма — активна поверхня металу, що приймає тепло, м2; Fпод — площа пода колодязя, м2; DIм — збільшення ентальпії виробів, що нагріваються, Кдж/кг.

Питома продуктивність нагрівального колодязя пропорційна Теф і обернено пропорційна DIм. При незмінній ефективній температурі нагрівальних газів підвищення сприймання металом тепла досягається за рахунок збільшення площі активної теплопоглинальної поверхні, що можливо при збільшенні садки й організації рівномірного підводу тепла до всіх граней зливків.

Інтенсивність теплообміну в робочій камері, яка виражена через поточний тепловий потік, що сприймається поверхнею металу, розраховується за формулою:

Qм = qм. Fм = спр(Tп4 – Tм4). Fма = спр(tTт2. Tух2 – Tм4). Fма,

де t — емпіричний коефіцієнт усереднення температур; Tт, Tух — теоретична температура горіння та температура відхідних продуктів згоряння, К. Коефіцієнт випромінювання, згідно з теорією Тімофеєва В.М., розраховується по формулі:

,

де eм та eпг — ступінь чорнуватості металу та продуктів згоряння; sпг = коефіцієнт випромінювання продуктів згоряння, Вт/м2.К4; w = Fма/Fкл — відношення активної поверхні металу, що приймає тепло, до поверхні кладки; rм = 1 – eм.

Найважливішим показником ефективності роботи полум'яних печей є корисне теплосприймання. В таблиці 1 наведено результати розрахунків теплових потоків, що приймає метал при односторонньому та двосторонньому нагрівах, для садки з 18 зливків вагою 5,6 т у колодязях, опалювальних природним газом калорійністю 34 МДж/м3. Розміри зливків: у верхньому перетині — 730 ґ 660; у нижньому перетині — 598 ґ 518; у середньому перетині — 664 ґ 589; висота — 1960 мм. Площа внутрішньої поверхні стін колодязя — 153,8 м2; активної поверхні бічних граней зливків, що сприймає тепло з одного боку — 23.4 м2; верхнього перетину зливка — 8,7 м2. У розрахунках прийняте допущення, що при односторонньому нагріванні тепловий потік від газів, що гріють, спрямований на верхні перетини та грані зливків, звернені до факела. При двосторонньому нагріванні сумарний тепловий потік збільшується на розмір теплового потоку на грані, звернені до бокових стін.

Розрахунок теплообміну показав, що організація двостороннього нагріву металу підвищує ефективність теплообміну в робочій камері при зміні температури в печі від 1000 до 1300 °С на 23,6–27,3 %, що значно скорочує тривалість теплового опрацювання.

Таблиця 1

Параметр Температура, °С

1000 1100 1200 1300

eСО2 0,13/0,06 0,12/0,056 0,11/0,052 0,10/0,046

eН2О 0,16/0,054 0,14/0,049 0,13/0,045 0,12/0,041

b 1,07/1,1 1,07/1,1 1,07/1,1 1,07/1,1

eпг 0,30/0,119 0,27/0,110 0,25/0,102 0,23/0,091

eгкм 0,72/0,266 0,71/0,248 0,67/0,232 0,66/0,210

sпг 4,14/1,532 4,09/1,428 3,86/1,336 3,80/1,210

DQ, % 27,3 26,2 25,2 23,6

Примітка. У чисельнику показники з боку факела, у знаменнику — з боку кладки.

Ці фактори визначають вибір системи опалення нагрівальних колодязів та раціональних режимів нагріву металу.

У другому розділі розглянуто питання взаємозв'язку конструктивних параметрів пальникового устрою, системи димовидалення, форми і розмірів робочого простору з показниками теплового та температурного режимів, а також вдосконалення окремих конструктивних елементів діючих нагрівальних колодязів.

За даними ДМЗ на час видачі металу в прокат нерівномірність його нагріву за довжиною колодязя складає 60–70 °С, за висотою зливків — 80–100 °С, а відставання у нагріві граней, звернених до стін, від граней, звернених усередину колодязя, — 40 °С.

На протязі роботи колодязів відбувається зростання подини внаслідок накопичення окалини і шлаку. Тривала експлуатація колодязів в умовах опирання прибуткової частини зливків на опорний пояс, а після його стирання на бокові стіни, призводить до зносу кладки. При цьому змінюються обсяг і форма робочої камери та гідравлічний і температурний режими роботи колодязів.

У колодязях з подовженою робочою камерою від 7,6 до 9,5 м довжина факела, утворюваного проектним пальником, виявилася недостатньою для задовільного нагрівання дальніх від пальника зливків. Зона максимальних температур, що перевищують показання контрольної термопари, перемістилася до центральної частини робочого простору, що спричинило перегрів та оплавлення зливків.

Для визначення оптимальної конструкції пальникового пристрою та отвору для відводу продуктів згоряння на колодязях ДМЗ були проведені дослідження параметрів їх теплового і температурного режимів у залежності від розмірів робочого простору і ступеня старіння. Характеристика різних модифікацій досліджуваних колодязів наведена в табл.2

Таблиця 2

Показники Модіфікація колодязя

I II III

Довжина робочого простору, мм 9500 9500 7900

Кількість отворів для газу 6 4 6

Діаметр одного отвору, мм 28 35 28

Кут зустрічи газового та повітряного потоків, град 15 12 15

Питомий вісьовий імпульс струменя, н/м2: газового повітряного 2587 275 3025 352 1703 176

В колодязях I і II модіфікацій лопатки-завіхрювачі на шляху повітря відсутні. Виявлено, що максимальна витрата газу в перший період нагрівання у колодязях II модифікації протягом роботи на 4–14 % вище, ніж у колодязях I модифікації і на 35–40 % вище, ніж в колодязях III модифікації. За час старіння при заростанні подини до критичного розміру максимальні теплові навантаження знижуються на колодязях III модифікації на 25 %, а на колодязях I і II модифікацій на 18–20 %. Оптимальний діапазон регулювання тиску в колодязях при низькій подині складає 5–10 Па, збільшуючись до 15–20 Па при високій подині. У ході дослідницьких робіт була встановлена мінімальна глибина робочого простору, при якій задовільно працює колодязь, і визначено відповідний режим нагрівання зливків.

В колодязях з подовженою робочою камерою після реконструкції пальникового пристрою (II модифікація) нагрів відбувався рівномірніше, ніж у колодязях з газовим соплом проектної конструкції (I модифікація). Градієнт температур за довжиною робочого простору до кінця періоду томління складав 50 °С. Перебіг температур за висотою залишався високим: 160 °С у період підйому температури і 100 °С наприкінці томління.

Однією з причин відставання в нагріві зливків, встановлених під пальниковою стіною, є охолодження їх за рахунок теплового випромінювання через отвор в надрекуперативний простір. Розглянуто спосіб пригнічення теплопоглинального впливу надрекуперативного простору на тепловий стан зливків під пальниковою стіною та температуру в нижній частині робочого простору.

Проектна конструкція отвору, що відводить продукти згоряння, являла собою арковий проріз з п'ятьма вертикальними каналами, поділеними вогнетривкими стовпчиками. Крайні зливки розташовувалися проти деяких каналів і охолоджувалися за рахунок випромінювання у холодний надрекуперативний простір. Нова конструкція отвору з зменшенням перетину для проходу продуктів згоряння на 25 % являла собою арку з двома однаковими каналами, розділеними вогнетривким стовпчиком шириною 464 мм і відбивними стінками шириною 250 мм. Розподілювальний поріг між робочою камерою і надрекуперативним простором був піднятий у порівнянні з проектом на 200 мм. Після проведеної реконструкції температура у нижній частині робочого простору під пальниковою стіною підвищилася у середньому на 15–30 °С.

Для покращення якості чищення подин і збільшення терміна служби колодязів на ДМЗ був розроблений і впроваджений новий спосіб очищення подин із застосуванням добавки шлаків, що вміщують алюміній, і новий засіб розігріву кладки, що дозволило підвищити термін служби колодязів між ремонтами до 7–8 місяців замість 3,5–4,5.

У третьому розділі обгрунтовано переваги нового двозонного способу опалення нагрівальних колодязів та представлено експериментальні дослідження характеристик і режимів їх роботи.

Головним фактором, що істотно впливає на рівномірність температурного поля й умови теплообміну в робочій камері, є спосіб подачі теплоносія до печи. При нагріві зливків, які є "масивними" у теплотехнічному відношенні тілами, необхідно забезпечити рівномірний нагрів зовнішньої поверхні зливків та внутрішньої поверхні стін за ними. Це дозволить зменшити "масивність" зливків завдяки їх симетричному нагріву. Найбільш повно цим умовам відповідає конструкція нагрівального колодязя, у якому організовано дві зони опалення: верхня з основним пальником і нижня з додатковими плоскополум'яними пальниками.

Для вивчення основних характеристик роботи нагрівальних колодязів з використанням додаткової зони опалення, взаємозв'язку теплових потоків від основного та додаткових пальників та їх впливу на якість нагріву садки металу проведена промислова апробація зазначеного способу опалювання на одному з колодязів ДМЗ.

У нижній частині робочої камери на додаток до основного пальника симетрично вертикальній площині осередку були встановлені десять плоскополум'яних пальників ГППН-4: по п'ять з кожного боку (рис.1). Таким чином у робочому просторі колодязя були організовані дві зони опалення, спроможні вирішувати одночасно дві задачі: зовнішню — щодо вирівнювання температурного поля в робочому просторі за висотою і довжиною, і внутрішню — щодо створення умов рівномірного нагрівання зливків за рахунок двостороннього нагріву.

Рис.1. Рекуперативний колодязь з двозонним опаленням: Г — газ, ХП — холодне повітря перед рекуператорами; TИМП — імпульсна термопара; п1–п5 — додаткові пальники; 1–6 — номери додаткових термопар; TВ, TН — контрольні термопари верхньої і нижньої зон опалення; РЯЧ — точка виміру тиску в колодязі.

Загальна максимальна витрата природного газу на основний і додаткові пальники відповідала проектній. Частина палива на додаткові пальники змінювалася від 30 % у перший період нагріву до 50 % у період томління від загальної витрати на колодязь. Температура у кожній з двох зон опалення регулювалася автономно. У верхній зоні опалення температура підтримувалася у відповідності з заводською інструкцією, а у нижній зоні для запобігання перегріву металу — на 30–50 °С нижче верхньої.

Ефективність застосування двозонного опалення нагрівального колодязя оцінювалася за результатами порівняльного аналізу роботи двох експериментальних колодязів, у стінах яких були виконані смотрові віконця й отвори для установки термопар (рис.1).

На рис.2 показано температурне поле у робочій камері колодязів типової та нової конструкцій. Градієнт температур між найбільш "гарячим" (термопара 3) і найбільш "холодним" (термопара 6) місцями робочого простору типового колодязя наприкінці нагріву (через 8 год) складав 120 °С. У робочому просторі нагрівального колодязя з додатковою зоною опалення отримано більш рівномірний розподіл температур з самого початку нагріву. Градієнт температур між вказаними точками (т.3 і 6) наприкінці томління зменшився майже в 2 рази, а тривалість нагрівання садки скоротилася на 1,5 год. Контрольна температура у робочому просторі нагрівального колодязя при двозонному опаленні знизилася від 1300–1320 °С (за чинною інструкцією) до 1280–1290 °С.

Рис.2. Розподіл температур та витрата палива у робочому просторі типового (а) і реконструйованого (в) колодязів: 1–6 — номери додаткових термопар; 7 — загальні витрати газа на колодязь.

Розподіл температур поверхні зливків у залежності від місця розміщення в робочому просторі дослідних колодязів показан на рис.3. Різниця температур поверхні зливків, встановлених у протилежних кінцях робочої камери, у колодязях з однозонним опаленням наприкінці томління складала 35–50 °С, в колодязі з додатковою зоною опалення — 0–15 °С.

В нагрівальному колодязі з двозонним опаленням підвищилася рівномірність нагріву зливків і в поперечному напрямку. У колодязі типової конструкції різниця температур між протилежними гранями в дослідних нагрівах наприкінці нагріву складала 25–35 °С, у колодязях з додатковою зоною опалення була відсутня.

На підставі даних теплових балансів робочої камери експериментальних колодязів (табл.3) розрахований коефіцієнт корисної дії типового колодязя складав у середньому 0,370, реконструйованого — 0,409.

Таблиця 3

Однозонне опалення Двозонне опалення

Статті балансу Дослід 2 Дослід 3 Дослід 1 Дослід 4

Надходження тепла ГДж (%)

Хімічне тепло палива 82,3 (79,2) 94,7 (79,7) 84,6 (79,4) 94,6 (79,4)

Фізичне тепло підігрітого повітря для горіння 14.4 (13,9) 16,0 (13,5) 15,8 (14,8) 17,6 (14,8)

Тепло екзотермічної реакції окислювання заліза 7,2 (6,9) 8,1 (6,8) 6,1 (5,8) 6,9 (5,8)

Всього 103,9 (100) 118,8 (100) 106,5 (100) 119,1 (100)

Витрата тепла ГДж (%)

Зміна тепловміста металу 30,9 (29,7) 34,6 (29,1) 33,3 (31,3) 39,8 (33,4)

Фізичне тепло окалини 0,8 (0,8) 1,1 (0,9) 0,7 (0,7) 1,0 (0,9)

Тепло продуктів згоряння, що відходять 60,0 (57,7) 61,5 (51,8) 56,0 (52,5) 62,1 (52,1)

Теплові втрати робочої камери 12,2 (11,8) 21,6 (18,2) 16,5 (15,5) 16,2 (13,6)

Всього 103,9 (100) 118,8 (100) 106,5 (100) 119,1 (100)

Усього в колодязі нової конструкції було проведено 46 експериментальних нагрівань з визначенням часу готовності металу до видачі по заводських критеріях. Раніш графіка готові до видачі були усі 46 садок. Економія палива на нагрів металу при двозонному опаленні досягає 15 %, зниження витрат метала з окалиною — 8,8 %. Скорочення часу нагрівання при двозонном опаленні в порівнянні з однозонним склало 0,7–1,5 год, що відповідає підвищенню продуктивності на 12–20 %.

У четвертому розділі викладені експериментальні дослідження дінаміки нагріву зливків у колодязях типової та нової конструкцій, яке є найбільш надійним засобом одержання об'єктивних і достовірних даних про теплові явища, що відбуваються при нагріві металу. Для одержання інформації про тепловий стан металу, що нагрівається, був виготовлений експериментальний зливок з отворами для встановлення 18 термопар (рис.4). Нагрів дослідного зливка провадився в складі холодної садки з 18 зливків. Зливок встановлювався під пальниковою стіною — найбільш холодним місцем робочого простору.

У таблиці 4 наведені дані про розподіл температур за висотою на поверхні граней та осі зливка.

Розподіл температур у різних перетинах досдідного зливка показує, що невелика несиметричність нагріву металу, яка отримана в перший період нагріву, зменшувалася впродовж періоду томління. Наприкінці нагрівання різниця температури між протилежними гранями не перевищувала 10 °С у всіх перетинах зливка. При цьому в нижньому перетині забезпечувався найбільш рівномірний прогрів зливка з самого початку.

Застосування додаткової зони опалення у новій конструкції колодязя наближає коефіцієнт несиметричності нагріву металу до ідеального значення, рівного 0,5. Коефіцієнт несиметричності нагріву у колодязі типової конструкції складав у середньому 0,625.

Таблиця 4

Час, год Температура грані, зверненої до стіни колодязя, °С Температура грані, зверненої усередину колодязя, °С Температура на осі зливка, °С

т 1 т 7 т 13 т 6 т 12 т 18 т 3 т 9 т 15

0 340 600 390 585 570 370 270 250 200

1 530 745 555 800 800 580 460 460 390

2 700 840 720 990 890 720 670 625 580

3 920 990 855 1010 920 880 750 720 670

4 1030 1100 955 1030 1020 995 890 920 830

5 1120 1200 1075 1110 1100 1100 1000 1030 1000

6 1250 1250 1210 1250 1220 1210 1140 1120 1110

7 1340 1300 1330 1340 1260 1320 1290 1270 1250

Для порівняльної оцінки нагріву металу в залежності від місця розташування в робочій камері колодязів за різними схемами опалення були виготовлені два дослідних зливки з отворами для термопар на двох рівнях за висотою і виливниця з відповідними отворами. Дослідні зливки встановлювали під пальником і з протилежного торця у складі садки з 18 зливків холодного і гарячого посаду. У процесі нагрівання через певні проміжки часу ці зливки виймалися й встановлювалися у виливницю для виміру температури їхнього центру (рис.5, 6).

Рис.5. Температури вісі дослідних зливків холодного посаду в типовому (а) і реконструйованому (б) колодязях, розташованих під пальниковою (1, 3) та глухою (2, 4 ) стінами: 1, 2 — виміри температури зливків на висоті 1500 мм; 3, 4 — 500 мм від їх низу.

Рис.6. Температури вісі зливків гарячего посада. Позначення як на рис.5.

Встановлено, що для зливків, що нагріваються у колодязях типової конструкції, характерна висока нерівномірність температур за висотою незалежно від місця розташування в робочій камері Наприкінці нагріву вона була 80–100 °С. У колодязях нової конструкції перепад температур за висотою дослідних зливків наприкінці томління не перевищував 50 °С.

Різница температури центру зливків, розташованих у різних кінцях робочої камери, наприкінці нагріву знизилася в середньому з 50 °С в типовому колодязі до 30 °С в реконструйованому.

У п'ятому розділі розроблено нову технологію нагріву металу при неритмічній роботі цеху. У 1991–1994 рр. у порівнянні з 1985–1990 рр. при скороченні продуктивності стану майже у 3 рази питомі витрати палива на нагрів збільшилися в середньому на 9,9 %, коефіцієнт витрати металу зріс більш ніж на 7 %, а середня продуктивність одного колодязя зменшилася у 2 рази. Традиційно у випадку простоїв стана після завершення всього циклу нагріву температура в колодязі знижувалася, нагріті зливки витримувалися в робочому просторі, а безпосередньо перед видачею в прокат знову нагрівалися.

Для скорочення часу перебування нагрітих зливків при високих температурах, зниження питомих витрат палива і втрат металу з окалиною розроблена нова технологія нагрівання металу, яка передбачає у випадку простоїв прокатного стану роботу колодязів у режимі високотемпературного термоса. Час прогнозованих простоїв стана використовується для попереднього підігріву зливків. Для цього зливки гарячого посаду встановлюють у робочий простір і витримують при 900–1000 °С упродовж часу, рівного прогнозованому простою стану, а потім нагрівають у традиційному режимі.

Розроблена методика розрахунку теплового стану зливків перед їх безпосереднім нагріванням, яка враховує охолодження металу у виливницях та його попередню витримку в колодязі. Розрахунки температурного стану зливків наприкінці попередньої витримки в колодязях в залежності від її тривалості були виконані на основі рішення задачі нагріву металу при постійній температурі навколишнього середовища для крайових умов III роду.

Характер зміни теплового стану зливків в процесі попередньої витримки, розрахований за цією методикою, показав, що під час витримки металу при постійній температурі в робочому просторі спостерігається підвищення температури зливків з одночасним вирівнюванням температурного поля у їх перетині. У залежності від тривалості попередньої витримки визначається температура на поверхні та осі зливків. Подальший режим нагріву металу призначається відповідно до чинної заводської інструкції для нового теплового стану металу.

За рахунок підвищення температури металу і зниження температурної неоднорідності по перетину зливків в процесі попередньої витримки зменшується час нагріву садки й тривалість знахождення металу при високих температурах. На рис. 7 наведено графіки нагріву зливків вуглецевої сталі за старою і новою технологією при простою стану 3 год.

Використання нової технології нагріву металу з урахуванням виробничої ситуації дозволило досягти на ДМЗ економії палива на 10–11 %. За рахунок зниження середньої температури в колодязі за весь період нагрівання та усування пересиджування гарячого металу в робочому просторі вдалося зменшити втрати металу з окалиною на 1,5 %. Економія палива в перший рік упровадження склала 1,5 кгу.т./т всаду.

ОСНОВНІ РЕЗУЛЬТАТИ ТА ВИСНОВКИ

1. Запропоновані і реалізовані на практиці реконструкція пальникового устрою та димового каналу для евакуації продуктів згоряння з робочої камери нагрівальних колодязів з верхнім опаленням дозволяють зменшити кінцеву нерівномірність нагріву металу у продольному напрямку від 60–70 до 40–50 °С та підвищити температуру нижньої частини робочого простору під пальниковою стіною на 15–30 °С. Економічний ефект від упровадження цих розробок склав у 1989 р. 27000 руб.

2. Промисловими дослідженнями встановлено зниження температурної неоднорідності нагрівання садки металу за рахунок застосування двозонного способу опалення нагрівальних колодязів. Максимальний градієнт температур у робочому просторі до кінця томлення зменшився майже вдвічі від 120 до 70 °С у порівнянні з традиційним способом опалення колодязів.

3. Виміри температури дослідного зливка при його нагріванні в колодязі з двозонним опаленням показали, що кінцева різниця температур між протилежними гранями наприкінці нагріву не перевищувала 10 °С, на осі за висотою зливка — 40–50 °С. У колодязі типової конструкції ці показники складали відповідно 25–35 і 80–100 °С.

4. Висока рівномірність нагріву садки металу при двозонному опаленні колодязя дозволяє знизити контрольну температуру верхньої частини робочого простору на 30–50 °С и скоротити тривалість нагрівання металу на 0,7–1,5 год, що відповідає підвищенню продуктивності нагрівальних колодязів на 12–20 % і зниженню питомої витрати палива на 15 %.

5. Середній коефіцієнт несиметричності нагріву зливків при двозонному засобі опалення складав 0,52; при однозонному — 0,625.

6. Нова технологія нагрівання металу з урахуванням виробничої ситуації дозволяє зводити до мінімуму перегріви готового до видачі металу, забезпечити його якісний і своєчасний нагрів, запобігти оплавленню зливків, одержати економію палива на 10–11 %. Економічний ефект від впровадження нової технології склав 170 тис грн.

7. Розроблені рекомендації по веденню теплового режиму колодязів впродовж їх старіння. Впроваджено спосіб очищення поду від шлаку з застосуванням добавки шлаків, що містять алюміній, і спосіб разогріву кладки колодязів. Термін служби колодязів між холодними ремонтами збільшився від 3,5–4,5 до 7–8 місяців.

ОСНОВНІ ПУБЛІКАЦІЇ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Яковенко А.Т., Троценко Л.М., Лам М.М., Кацин Ю.И. Оптимальні режими роботи нагрівальних колодязів //Металознавство та обробка металів. — 1996. — № 4. — С. 28–31.

2. Еринов А.Е., Сезоненко Б.Д., Троценко Л.Н.. Яковенко А.Т. Повышение эффективности работы нагревательных колодцев с одной верхней горелкой // Экотехнологии и ресурсосбережение. — 2000. — № 1. — С. 65–68.

3. Еринов А.Е., Сезоненко Б.Д., Троценко Л.Н., Яковенко А.Т. Повышение качества нагрева слитков в нагревательных колодцах с одной верхней горелкой// Экотехнологии и ресурсосбережение. — 2000. — № 5. — С. 73–77.

4. Троценко Л.Н. Рациональная технология нагрева металла в колодцах в условиях нестабильной работы стана //Экотехнологии и ресурсосбережение. — 2000. — № 6. — С. 72–73.

5. Еринов А.Е., Троценко Л.Н. Исследование качества нагрева слитков в колодце с использованием плоскопламенных горелок //Экотехнологии и ресурсосбережение. — 2001. — № 1. — С. 64–67.

6. А.с. 1325283 СССР, МКИ С 21 Д 9/70. Способ очистки подин нагревательных печей. Яковенко А.Т., Илющенко В.И., Украинский В.Д., Маркин А.Д., Гурин В.В., Калиушко (Троценко) Л.Н., Левицкий А.П., Плеплер М.Л., Кацин Ю.И. — Заявлено 16.09.85; Опубл. Бюл. № 24. — 1987.

7. А.с. 1413151 СССР, МКИ С 21 Д 9/70. Способ разогрева нагревательных колодцев с футеровкой из необожженных динасобетонных панелей. Левицкий А.П., Яковенко А.Т., Калиушко (Троценко) Л.Н., Кацин Ю.И.. Украинский В.Д., Илющенко В.И., Маркин А.Д. — Заявлено 19.11.85; Опубл. Бюл. № 28. — 1988.

8. Еринов А.В., Сезоненко Б.Д., Украинский В.Д., Калиушко (Троценко) Л.Н. и др. Повышение эффективности топливоиспользования в рекуперативных нагревательных колодцах с одной верхней горелкой // Материалы науч.-техн. конф. "Экономия топлива в промышленных печах при рекуперативном подогреве воздуха". — Киев: Наукова думка, 1986. — С. 145–149.

9. Еринов А.Е., Сезоненко Б.Д., Яковенко А.Т., Украинский В.Д., Калиушко (Троценко) Л.Н. // Тез. научн.-техн. конф. "Горелочные устройства в черной металлургии: опыт разработки, изготовления и эксплуатации, перспективы развития". — Свердловск. — 1988. — С. 71.

АНОТАЦІЇ

Троценко Л.М. "Дослідження і вдосконалення теплової роботи рекуперативних нагрівальних колодязів з верхнім опалюванням".

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 — технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. — Інститут газу НАН України, Київ, 2002.

Дисертація присвячена проблемі підвищення ефективності роботи нагрівальних колодязів з верхнім опалюванням та покращенню якості нагріву зливків. При роботі над дисертацією були виконані аналітичні й експериментальні дослідження. У результаті чисельних досліджень встановлено, що найбільш істотне підвищення питомої продуктивності нагрівальних колодязів забезпечується організацією двостороннього симетричного нагріву металу. Наведено результати комплексного дослідження нагрівання зливків у нагрівальному колодязі з використанням додаткової зони опалення. Дано порівняльну характеристику температурного поля робочого простору типового і реконструйованого колодязів і розподіл температур у тілі дослідного зливка. Розроблені раціональні режими нагріву зливків у нагрівальних колодязях за умовами нестабільної роботи прокатного стану. Наведено розрахункову залежність теплового стану зливків наприкінці попередньої витримки їх у колодязях в залежності від її тривалості.

Ключові слова: нагрівальний колодязь, пальник, опалення, якість нагріву, паливо.

Троценко Л.Н. "Исследование и совершенствование тепловой работы рекуперативных нагревательных колодцев с верхним отоплением"

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 — техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. — Институт газа НАН Украины, Киев, 2002.

Диссертация посвящена проблемам повышения эффективности работы нагревательных колодцев с верхним отоплением и улучшения качества нагрева слитков. При работе над диссертацией были выполнены аналитические и экспериментальные исследования.

В результате численных исследований установлено, что наиболее существенное повышение удельной производительности нагревательных колодцев можно обеспечить за счет увеличения активной тепловоспринимающей поверхности металла при обеспечении равномерности нагрева как всей садки, так и каждого слитка в отдельности.

В работе предложены и реализованы изменения конструкции горелочного устройства и канала для эвакуации продуктов згорания из рабочей камеры нагревательных колодцев с верхним отоплением. Это позволило уменьшить конечную неравномерность нагрева садки металла в продольном направлении от 60–70 до 40–50 °С и повысить температуру нижней части рабочего пространства под горелочной стеной на 15–30 °С. Економический эффект от внедрения этих разработок составил в 1989 г. 27000 руб.

Расчет теплообмена в рабочей камере нагревательного колодца показал, что двухсторонний подвод тепла к поверхности 5,6-тонных слитков при температуре греющих газов 1000–1300 °С повышает суммарный тепловой поток на металл на 23,6–27,3 %. Приведены результаты комплексного исследования нагрева металла в нагревательном колодце новой конструкции с использованием дополнительной зоны отопления. Экспериментальные исследования нагрева металла в колодце с двухзонным отоплением показали, что к концу периода томления конечная разность температур между противоположными гранями слитков не превышала 10 °С, по высоте — 40–50 °С. В колодце типовой конструкции эти показатели составляли соответственно 25–35 и 80–100 °С. Высокая равномерность нагрева садки металла при двухзонном отоплении колодца позволяет снизить контрольную температуру верхней части рабочего пространства на 30–50 °С и сократить продолжительность нагрева металла на 0,7–1,5 ч, что соответствует повышению производительности нагревательных колодцев на 12–20 % и снижению удельного расхода топлива на 15 %.

Разработаны рациональные режимы нагрева слитков в нагревательных колодцах в условиях нестабильной работы стана, которые предусматривают в случае простоев прокатного оборудования работу колодцев в режиме высокотемпературного термоса и предварительную выдержку металла в них. Разработана методика расчета теплового состояния слитков к концу предварительной выдержки, учитывающая охлаждение металла в изложницах и длительность предварительной выдержки в колодце. Новая технология нагрева слитков с учетом производственной ситуации позволяет сводить к минимуму перегревы готового к выдаче металла, обеспечить его качественный и своевременный нагрев, снизить брак по нагреву, получить экономию топлива 10–11 %.

Ключевые слова: нагревательный колодец, горелка, отопление, качество нагрева, топливо.

Trоtsenko L.N. "Investigation and Improvement of Thermal Working of Recuperatore Heat Soaking with Top-heating".

Thesis on competion of a scientific degree of the candidate of technical science by specsality 05.14.06 — engineering thermal physics