НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

Каракаш Євген Олександрович

УДК 669.162.231.085

Удосконалення режимів експлуатації повітронагрівачів доменних печей з метою Збільшення їх терміну служби та температури дуття

05.16.02-металургія чорних металів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового

ступеня кандидата технічних наук

Дніпропетровськ - 2007

Дисертація є рукописом.

Дисертація виконана в Національній металургійній академії України (НМетАУ).

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Грес Леонід Петрович

професор кафедри теплотехніки та екології металургійних печей

Національна металургійна академія України МОН України

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Довгалюк Борис Петрович

професор кафедри . електроніки і автоматики

Дніпродзержинський державній технічний університет МОН України

доктор технічних наук, професор

Ковшов Володимир Миколайович

професор кафедри металургії чавуну

Національна металургійна академія України МОН України

Провідна установа: Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України,

м.Дніпропетровськ

Захист дисертації відбудеться “24” квітня 2007 р. о 12 г. 30 хв. на засіданні спеціалізованої Ради Д08.084.03 при Національній металургійній академії України за адресою 49600, м. Дніпропетровськ, проспект Гагаріна, 4, НМетАУ.

Автореферат розісланий “20” березня 2007 р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої Ради Д 08.084.03,

доктор технічних наук, професор Камкіна Л.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи: Розглянуті питання підвищення енерго- і ресурсоефективності роботи доменних повітронагрівачів (ПН) у рамках національної програми енергозбереження.

Металургійна промисловість – одна з найенергоємніших галузей, а доменна переробка споживає більше 50% енергетичних ресурсів металургії. У собівартості чавуну паливно-енергетичні витрати складають 26–28%. У порівнянні з країнами Західної Європи, США, Японією на одиницю кінцевої продукції Україна споживає в 3–3,5 раза більше енергії. У загальному балансі палива ПН споживають більше 30% доменного газу, що виробляється.

Енергоефективність доменного виробництва характеризується питомим споживанням коксу, а його економія в значній мірі залежить від ефективності роботи ПН. Тому найважливішою проблемою в умовах дефіциту паливно-енергетичних ресурсів є поліпшення роботи ПН і підвищення температури дуття. Збільшення температури під куполом повітронагрівачів на 10–120С дозволяє понизити витрату коксу на на 1,5–2,0 кг/т чавуну.

Надійна робота блока повітронагрівачів доменної печі є істотним резервом підвищення ефективності роботи доменного виробництва. Від стійкості повітронагрівачів і температури гарячого дуття багато в чому залежать процеси стійкої роботи доменної печі. За несприятливих умов експлуатації міжремонтний період ПН може знижуватися більше ніж у 2 рази, що викликає значне збільшення собівартості чавуну.

Зв'язок з науковими програмами і планами. Питання, що розглядаються в дисертаційній роботі, відповідають Державній програмі розвитку гірничо-металургійного комплексу України до 2010 р., державній програмі енергозбереження, “Основним напрямам державної політики України” в області забезпечення екологічної безпеки, а також напрямам наукової діяльності НМетАУ.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи: підвищення ефективності роботи доменних повітронагрівачів шляхом збільшення температури доменного дуття і міжремонтних періодів ПН і стійкої роботи вузла “тяги” доменних печей (ДП).

Об'єкт дослідження – високотемпературні повітронагрівачі і вузол “тяги” доменної печі.

Предмет дослідження – тепломасообмінні і газодинамічні процеси у повітронагрівачах, вузлі “тяги” доменної печі.

Задачі дослідження:

- розробити математичну модель процесів теплопередачі в камері горіння і насадці доменних ПН, що враховує зміну теплофізичних властивостей теплоносіїв і вогнетривкої кладки стін камери горіння і насадки залежно від температури в двомірній системі координат;

- розрахувати ефективну товщину вогнетривких стінок у вузлі “тяги” і доцільність застосування в ній різних типів вогнетривів;

- встановити залежність між коефіцієнтом рециркуляції димових газів і режимом роботи ПН з метою визначення його раціонального значення;

- розрахувати ефективність застосування різних способів рециркуляції відхідних димових газів у доменних повітронагрівачах;

- розробити способи використання фізичної теплоти агломераційних відхідних газів;

- виконати теоретичні і експериментальні дослідження причин руйнування футерівки вузла “тяги” при зупинках доменної печі.

Методи дослідження. При виконанні роботи використовувалися методи математичного моделювання і експериментальні дослідження, а також промислові випробування. Математичні моделі ПН одержані на основі фізичних законів з урахуванням теорії тепломасообміну, що забезпечує їх використання в широкому діапазоні різних умов експлуатації повітронагрівачів і вузла “тяги” доменної печі.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Вперше чисельним методом розв’язана задача визначення температурних полів по висоті камери горіння доменних повітронагрівачів з урахуванням зовнішньої рециркуляції продуктів горіння і вигорання горючих компонентів. Застосовано новий підхід при рішенні задачі визначення температури під куполом доменного повітронагрівача.

2. Розроблені методика і алгоритм визначення температур теплоносіїв по висоті насадки повітронагрівачів із вбудованою камерою горіння з урахуванням теплових втрат, а також зовнішньої рециркуляції.

3. Отримали розвиток теоретичні уявлення про механізм руйнування футерівки вузла “тяги”. Вперше проведене комплексне дослідження впливу режимних параметрів процесу взяття печі на “тягу” (температури, витрати, складу горнових газів і тривалості зупинки доменної печі) на знос футерівки вузла “тяги” доменної печі.

Практичне значення одержаних результатів.

Розроблений чисельний метод розрахунку тепломасообмінних процесів у повітронагрівачах може використовуватися при розрахунку температурних полів вогнетривкої футерівки стін камери горіння і насадки, а також для вибору раціональних режимів сушки і розігрівання кладки і розподілу вогнетривів по її висоті.

Розроблений спосіб використання рециркуляту при опалюванні повітронагрівачів, при якому відбувається найбільша економія палива і збільшення стійкості камери горіння. Встановлені причини руйнування футерівки труби “тяги” і розроблені методи захисту даного вузла доменної печі.

У роботі одержані науково обгрунтовані теоретичні і експериментальні результати, які є істотними для подальшого зниження собівартості чавуну за рахунок підвищення енерго- і ресурсоефективності нагріву дуття.

Розроблені нові конструкції окремих вузлів і способи експлуатації повітронагрівачів дозволяють підвищити термін їх служби, збільшити температуру дуття, скоротити витрату палива і знизити шкідливі викиди в навколишнє середовище.

Упроваджені:

- система захисту вузла “тяги” (ДП 9 ВАТ “Міттал Стіл-Кривий Ріг”);

- теплоізоляційні плити в розділовій стіні ПН (ДП 1 ВАТ “Міттал Стіл-Кривий Ріг”);

- насадки із зміненими величинами ярусів у ПН з внутрішньою і винесеною камерами горіння (ДП 9 і ДП 8 ВАТ “Міттал Стіл-Кривий Ріг”);

- система сушіння і розігрівання труби “тяги” доменної печі (ДП 9 ВАТ “Міттал Стіл-Кривий Ріг”).

Особистий внесок претендента. Теоретичні і експериментальні дослідження, їх обробка, а також узагальнення отриманих результатів виконані автором самостійно. Отримані претендентом результати вирішення задачі теплообміну в камері горіння з урахуванням вигорання палива опубліковані в роботі [1], результати виконаних претендентом досліджень використання рециркулюючих продуктів горіння – в роботі [2]. У роботі [3] приведені результати досліджень утворення оксидів при опалюванні повітронагрівачів. На основі виконаних автором досліджень руйнування вогнетривкої футерівки вузла “тяги” в роботах [6–8 ] запропонована його модернізація.

Апробація результатів дисертації. Основні положення і результати роботи доповідались на міжнародних конференціях: 1. "Acta Metallurgica Slovaca " (Kosice, Slovakija, 2002). 2. "Теплотехніка та енергетика в металургії" (м. Дніпропетровськ, 2005).

Публікації. Основні результати роботи викладені в 2 патентах і 7 статтях, опублікованих у наукових журналах і збірниках наукових праць, які входять у відповідний перелік ВАК, у двох навчальних посібниках, де розглянуті питання умов і охорони праці на гірничо-металургійних підприємствах.

Структура дисертації. Робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаних джерел і додатка. Матеріал дисертації викладений на 149 сторінках машинописного тексту і включає 17 таблиць, 24 малюнки, 1 додаток. Список використаних літературних джерел містить 107 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Сучасний стан питання підвищення енерго-

і ресурсоеФЕКТиВНОСТІ нагрівУ доменного дуття

З метою підвищення ефективності роботи доменних повітронагрівачів, збільшення міжремонтних періодів ПН і стійкої роботи вузла “тяги” доменних печей в першому розділі був проведений аналітичний огляд літератури, присвячений моделюванню тепло- і масообмінних процесів у доменних повітронагрівачах, питанням енерго-, ресурсозберігання при роботі доменних ПН, а також працездатності вузла “тяги” доменної печі.

Дослідженням регенеративного теплообміну займалися вчені: І.Д. Семікін,
Е.М. Гольдфарб, С.І. Аверін, С.Т. Пліскановський, М.В. Губинський, Л.П. Грес,
В.М. Кошельник (Україна), Ф.Р. Шкляр і В.М. Тимофєєв (Росія), Х. Хаузен (Німеччина),
Т. Хітавасі (Японія) та інші, що внесли істотний внесок у розвиток даного питання.

Разом з тим більшістю авторів при моделюванні теплової роботи ПН розв'язувалися задачі, пов'язані лише з тепломасообмінними процесами в регенеративній насадці, при визначенні температурних полів теплоносіїв. При цьому процесами теплообміну в камері горіння практично нехтували, використовуючи для розрахунку температуру продуктів горіння під куполом, пірометричний коефіцієнт або експериментальні залежності. При розрахунках температур по висоті насадки не враховували вплив теплообміну між нею і камерою горіння через розділову стінку для ПН із вбудованою камерою горіння.

Підвищення вимог до енерго- і ресурсоефективності ПН у даний час вимагає більш ширшого вивчення питань тепло- і масообмінних процесів, що відбуваються у повітронагрівачах. З другого боку, широке застосування ЕОМ значно розширює можливості застосування чисельних методів для математичного моделювання теплової роботи регенеративних насадок, що раніше викликало серйозні труднощі. Завдяки цьому на основі аналізу літературних джерел досить детально вивчені процеси, що протікають у ПН при рециркуляції димових газів.

Для більшості сучасних доменних повітронагрівачів основним видом палива є доменний газ. Разом з тим умови утворення оксидів азоту (NOx) при горінні цього палива в достатній мірі не вивчені через складність хімічної кінетики при тепломасообмінних процесах. У даний час відсутні надійні методи розрахунку концентрацій NOx і на практиці найчастіше використовують експериментальні дані. Оскільки це прямо пов'язано з екологічним оточенням металургійних підприємств, даному питанню було приділено велику увагу як в літературному огляді, так і в інших розділах дисертаційної роботи.

Питання збільшення міжремонтного терміну служби повітронагрівачів багато в чому пов'язане з незадовільною роботою труби “тяги”, що є наслідком дії забруднених горнових газів на вогнетривку футерівку у момент узяття доменної печі на “тягу”. Тому в роботі розглянуте питання працездатності вузла “тяги” на доменних печах.

Математична модель ТЕПЛООБМІННИХ ПРОЦЕСІВ

У СИСТЕМІ ГАЗ-СТІНКА доменного ПОВІТРОНАГРІВАЧА

У даній роботі розглянуті різні методи виконання перевірочного розрахунку діючих ПН і проведений їх аналіз, де визначалися температури кладки, насадки, димових газів і дуття.

Стосовно до футерівки камери горіння ПН розв’язання задачі теплопровідності чисельно-аналітичним методом являє собою визначення температурних полів багатошарових пластин і порожнистих циліндрів з тепловим опором між шарами, при нагріванні з одного боку і охолоджуванні – з іншого. При визначенні зв'язаних температурних полів газів і кладки приймалася умова теплообміну на поверхні у вигляді . Густина теплового потоку q() (Вт/м2) обчислювали по відомому або визначуваному значенню температури газового середовища Тг() і поверхні тіла Тпов(), 0С:

(2.1)

де – приведений коефіцієнт випромінювання, ; – коефіцієнт тепловіддачі конвекцією від газу до поверхні, .

Рішення задачі теплопровідності чисельно-аналітичним методом є порівняно складним, у порівнянні з чисельними методами, і трудомістким при створенні математичної моделі роботи доменного повітронагрівача із застосуванням ЕОМ. При цьому точність даного способу не має істотної переваги перед низкою чисельних методів. Тому в даній роботі запропонований спосіб створення математичної моделі роботи доменного повітронагрівача чисельним методом. Основою для даного методу є рівняння миттєвого теплового балансу в елементарному шарі всередині камери горіння. Вся теплота, що надійшла в i-й шар камери горіння в к-й момент часу, витрачається на нагрів внутрішньої (з боку розділової) і внутрішньої (з боку кожуха) стін камери горіння, при цьому частина теплоти переходить в (i+1)-й шар камери горіння. Запропонована модель враховує теплообмін між рухомими газами і кладкою в зоні горіння факела.

Балансове рівняння для шару:

(2.2)

де: – відповідно витрата продуктів горіння (диму) (кг/с) і їх середня теплоємність в інтервалі температур від 00С до середньої температури між tвих і tвх,;–

температури на виході і на вході в даний шар, 0С;

Qн, Qк, Qекз – відповідно кількість теплоти, що йде на нагрів внутрішніх стін камери горіння (з боку насадки і з боку кожуха), а також кількість теплоти, що виділилася в результаті згорання частини палива в шарі, Дж;

Крец – коефіцієнт внутрішньої рециркуляції димових газів, .

Теплова потужність, що виділилася в результаті згорання частини палива на одиниці довжини факела, Qекз:

(2.3)

Кгор – частка палива, спалюваного в зоні теплообміну;

lф – поточна довжина факела в даній зоні теплообміну, м;

LП – повна довжина факела, м.

Загальна теплова потужність, що виділилася в результаті спалювання палива в камері горіння:

(2.4)

Tкал – калориметрична температура горіння, 0С.

Теплова потужність, що виділилася на елементарній ділянці камери горіння:

(2.5)

Значення величини д залежить від довжини зони горіння. При хімічному недопалі в 5%:

(2.6)

де F – поточна площа поверхні ділянки камери горіння, м2; Fгор – площа всієї поверхні камери горіння по висоті факела, м2.

Камеру горіння розбивали по висоті на N елементарних ділянок, кожна з яких має площу теплообміну F. Розрахувавши таким чином тепловиділення на n-й ділянці, одержували суму елементарних теплот, що виділилися на всіх попередніх n ділянках. Дійсна теплота , що виділилася на елементарній ділянці:

(2.7)

Для перевірки правильності визначення кількості теплоти, що виділилася у всіх шарах, використовували рівняння теплового балансу (з урахуванням 5% хімічного недопалу):

(2.8)

Визначивши кількість теплоти , що виділилася на елементарній ділянці, розраховували частку палива, що вигорає на цій ділянці:

(2.9)

Розрахунки і експериментальні дослідження показали, що основна маса палива (до 75%) вигорає в нижній частині камери горіння. Визначивши по виразах (2.6. і 2.7.) кількість теплоти, що виділилася в першому шарі (Q1), розраховували температуру газоподібної суміші (паливо, повітря горіння і дим), що утворилася в результаті горіння в шарі,

, (2.10)

де – средньомасова температура незгорілого газу (палива) і окислювача (повітря), 0С;

, – середні теплоємності відповідно диму і суміші газ-окислювач, Дж/кг К;

, – масова витрата диму і незгорілих компонентів горіння, кг/с.

Таким чином, знаходили розподіл температур по всій висоті камери горіння в результаті вигорання палива, без урахування теплообміну, що відбувається між елементарними шарами. Теплота, що виділилася в першому елементарному шарі, йде на нагрівання вогнетривких стін, а залишок теплоти переходить у наступний елементарний шар.

Тепловий потік, що йде на нагрівання стінки в початковий момент часу, в першому шарі:

(2.11)

де – загальний коефіцієнт тепловіддачі в системі газ-стінка випромінюванням і конвекцією в початковий момент часу в першому шарі, Вт/м2 К.

Проведені розрахунки для різних типів повітронагрівачів показали, що в нижній частині камери горіння тепловіддача від газу до стінки відбувається в основному конвекцією, а у верхній частині – конвекцією і випромінюванням.

Визначивши кількість теплоти, що йде на нагрівання стінки в 1-му шарі, визначали теплоту, що перейшла з 1-го в 2-й шар:

(2.12)

Загальна теплота, що надійшла в другий шар, складатиметься з теплоти горіння палива в цьому елементарному шарі і теплоти, що перейшла з першого шару, . У загальному вигляді:

(2.13)

Використовуючи даний метод, визначали в початковий момент часу розподіл температур по висоті камери горіння і густини теплових потоків, що йдуть на нагрівання її стін. Потім розраховували температурне поле по перетину стіни на різних горизонтах.

Існують різні підходи до визначення температурного поля термічно масивного тіла, яким є кладка камери горіння, проте найзручнішими для чисельних розрахунків з використанням ЕОМ є метод кінцевих різниць і інженерний аналітичний метод, запропонований Е.М. Гольдфарбом. У роботі при розробці математичної моделі був застосований метод кінцевих різниць.

Розроблена математична модель дозволяє досить точно визначати температури по висоті камери горіння з урахуванням вигорання палива і втрат теплоти в навколишнє середовище. Порівняння розрахункових температур з експериментальними, виконаними ВНІІМТ, показали гарну збіжність (рис. 2.1). Використання результатів рішення задачі з визначення розподілу температури теплоносіїв по висоті камери горіння підвищує точність визначення “ключової” температури під куполом у період нагріву.

ДОСЛІДЖЕННЯ РЕЦИРКУЛЯЦІЇ ЯК СПОСОБУ ПІДВИЩЕННЯ

ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ НАГРІВУ ДОМЕННОГО ДУТТЯ

Параметри теплової роботи ПН багато в чому залежать від інтенсивності теплообміну між теплоносіями (димовими газами і насадкою в період нагріву), яку можна збільшити за рахунок зовнішньої рециркуляції продуктів згорання.

З метою утилізації теплоти відхідних димових газів ПН пропонується відбирати гази з димового борова і подавати їх в пальниковий пристрій. Для цього були проаналізовані різні способи повернення димових газів у камеру горіння ПН, на основі чого був вибраний раціональний варіант рециркуляції.

Розглядаючи позитивний вплив рециркуляції на стійкість повітронагрівачів з внутрішньою камерою горіння, слід зазначити, що ПН мають істотний недолік, пов'язаний з недостатньою захищеністю розділової стіни між камерою горіння і насадкою від вологи, яка вноситься холодними газами у вигляді туману і краплинної вологи. Дослідженнями встановлено, що, потрапляючи на поверхню вогнетривів навпроти пальника, волога значно знижує стійкість розділової стіни. Додавання рециркуляту в доменний газ дозволяє збільшити температуру газів вище за точку роси, унаслідок чого знижується руйнуюча дія на розділову стіну.

Для підтвердження ефективності використання запропонованого методу рециркуляції були виконані розрахунки горіння палива при різних коефіцієнтах витрати повітря (n) і знайдена залежність ентальпії диму () від його температури. Об'єктом дослідження служили ПН із вбудованою камерою горіння, опалювані природно-доменною сумішшю.

Задача теплообміну у ПН з урахуванням рециркуляції димових газів аналогічна розглянутому в 2-му розділі, проте при цьому змінюється склад палива, його фізична теплота і кількість димових газів.

Тоді балансове рівняння шару з урахуванням рециркуляції набуває вигляду

( 3.1)

Gрец – кількість рециркуляту, що додається в паливо. При цьому коефіцієнт внутрішньої рециркуляції залишається незмінним і дорівнює 1, оскільки в камері горіння практично відсутні місцеві завихрення, при цьому ентальпія продуктів горіння під куполом з урахуванням подачі рециркулюючих продуктів горіння складе:

, ( 3.2)

Слід зазначити, що із збільшенням кратності рециркуляції відбувається зниження нижчої робочої теплоти згорання палива .

Крім того, при рециркуляції змінюється також довжина факела:

(3.3)

При зміні складу палива і кількості продуктів горіння факел виходить більш розтягнутим. Згідно з відомими дослідженнями довжина утиснутого факела на 23% більше, ніж вільного.

При рециркуляції теплова потужність, що виділяється на ділянці горіння, може змінюватися залежно від витрати рециркуляту,

(3.4)

Розрахунки показали, що при температурі рециркулюючих газів 200–300°С у зв'язку із збільшенням об'єму газів у (1+0,01r) разів знижується нижня робоча теплота згоряння палива. У даному випадку r-коефіцієнт рециркуляції є відношенням об'єму рециркулюючих газів (рециркуляту) до загального об'єму продуктів горіння (з урахуванням рециркулюючих газів). При цьому концентрація кисню складе:

(3.5)

Зменшення максимальної температури у нижній частині камери згоряння і зниження концентрації зв'язаного азоту в паливі викликають зниження виходу оксидів азоту в продуктах горіння. Останнє відбувається практично лінійно при збільшенні кратності рециркуляції.

Як правило рециркуляція здійснюється “усередині” теплового агрегату: тобто відхідні димові гази повертаються в робочий простір того ж пристрою. Для оцінки ефективності використання відхідних газів від різних теплових агрегатів був виконаний порівняльний аналіз параметрів роботи повітронагрівача в умовах ДП 8 ВАТ “Міттал Стіл-Кривий Ріг”, при використанні в якості окислювача:

а) атмосферного повітря;

б) відхідного агломераційного газу.

Теоретичну витрату аглогазу (), що йде на горіння, визначали як:

(3.6)

де: – відсотковий вміст складових відповідно палива (доменного газу) і агломераційного газу.

Дослідження показали, що незважаючи на знижений вміст кисню в агломераційному газі (?14%), у порівнянні з атмосферним повітрям, використання агломераційного газу з хвостової частини агломашини в якості добавки до окислювача на доменних повітронагрівачах дозволяє за рахунок фізичної теплоти збільшити на 90С температуру дуття завдяки підвищенню сумарного коефіцієнта тепловіддачі () від диму до насадки по всій її висоті.

Крім того, рециркуляція аглогазу дозволяє знизити витрату палива на ПН до 6%, при цьому за рахунок зниження викидів поліпшується екологічне оточення на агломераційній фабриці.

Таблиця 3.1

Порівняння параметрів теплової роботи повітронагрівача

при використанні різних видів окислювачів

Види

окислювачів |

МДж/м3 |

0С |

(нагр.)

с |

(дут.)

с |

Вт/(м2 0С) |

0С |

B,

м3/c | ДB

%

атмосферне повітря | 3.95 | 1350 | 19800 | 6900 | 15.32

11.2 | 1220 | 10.7 |

___

aгломерацій-ний газ | 3.95 | 1350 | 19800 | 6900 | 17.01

12.02 | 1229 | 10.1 | 5.8 |

Підвищення стІЙкості КЛАДКИ ДОМЕННИХ ПОВІТРОНАГРІВАЧІВ

Одним з основних способів ресурсозберігання для доменних повітронагрівачів є збільшення їх міжремонтного терміну служби. В даний час використовують два основні типи конструкцій повітронагрівача: з винесеною і з вбудованою камерою горіння, останніх на Україні до 75%. Стійкість винесеної камери горіння значно вище вбудованої, проте така конструкція є дорожчою (на 25–30%) і вимагає більшої площі, що захаращує ділянку і погіршує умови праці в доменному цеху.

З метою підвищення стійкості камер горіння ПН на підставі проведених досліджень було запропоновано:

- використовувати в кладці камери горіння алюмофосфатну зв'язку;

- у кладці штуцерів і до стику динас – мулітокорунд (із вмістом Al2O3 72% – МКВ-72), МКВ-72 замінити на деформаційно-стійкі вогнетриви;

- за наявності в облицювальному шарі камер горіння ПН вогнетривів довжиною 230 мм, замінити їх на вогнетриви довжиною 345 мм з метою підвищення стійкості футерівки.

У зв'язку з цим були реалізовані вказані коректування в проектах намічених до ремонту повітронагрівачів.

При цьому нарощували товщину теплоізоляції в розділовій стіні камери горіння, що призводило до зменшення нахилу камери горіння на насадку, і як наслідок – до збільшення стійкості камери горіння і ПН в цілому.

Стійкість повітронагрівачів також багато в чому визначається режимом взяття доменної печі на “тягу”, що здійснюється за допомогою вузла “тяги”.

Вихід з ладу вузла “тяги” і подальше взяття печі на “тягу” через динасові повітронагрівачі призводить до значного зниження їх міжремонтного терміну експлуатації, а також зменшенню середньої температури дуття. При взятті доменної печі на “тягу” через повітронагрівачі термін служби останніх знижується в 2–2,5 раза. В ході проведених нами промислових досліджень на ВАТ “Міттал Стіл-Кривий Ріг” було встановлено, що повітронагрівач № 4 ДП 9, через який не здійснювалося взяття печі на “тягу”, пропрацював без капітальних ремонтів першого і другого розрядів протягом 29 років, що є унікальним показником. Ретельне вивчення стану вогнетривких блоків при розбиранні насадки цього ПН показало, що вони знаходяться в задовільному стані.

У зв'язку з цим були проведені глибші дослідження стану вузла “тяги” і причин його руйнування. Обстеження стану футерівки труби “тяги” показало, що за шибером труби і перед ним, у підвідному патрубку (по ходу горнових газів) накопичилися маси сколотих оплавлених мулітокорундових вогнетривів зміненого складу. Були проведені дослідження температурних умов служби вузла “тяги” з використанням розробленої математичної моделі.

При односторонньому нагріві внутрішнього обкату футерівки вузла “тяги” під дією температурного градієнта в ньому виникають термічні напруги t (що викликають відколи ділянок футерівки), але не у напрямі температурного градієнта, а перпендикулярно йому. Напруги t пропорційні – різниці температур між середньою і поточною температурами на ділянці проникнення углиб футерівки теплової хвилі.

, (4.1)

де – коефіцієнт лінійного розширення вогнетрива, град-1;

н – коефіцієнт Пуассона;

Е – модуль пружності першого роду (Юнга), Па.

Отримані за допомогою математичної моделі розрахункові температури диму за шибером вузла “тяги” у вказаний момент часу (=10 хв) виявилися вище відповідних експериментальних даних, що пов'язане з тим, що приймалися найнесприятливіші умови для стійкості футерівки: температури горнового газу приймалися вище 1300–1550°С і величина хімічного недопалу 5%.

Розрахунки показали, що на ділянці двошарової вогнетривкої футерівки труби за її перетиском при короткочасному взятті печі на “тягу”, робочі обкати і азбестовий картон служать при температурах нижче допустимих.

У результаті виконаних досліджень виявлені причини руйнування вузла “тяги”:

-

-

На підставі встановлених причин були запропоновані спосіб захисту вогнетривкої футерівки і модернізований пристрій для взяття печі на “тягу”, а також графік сушіння футерівки труби після ремонту (останній був реалізований на ДП 9 ВАТ “Міттал Стіл-Кривий Ріг”).

Модернізація вузла “тяги” включала заміну зношеної футерівки на більш термостійку і обладнання вузла “тяги” з подачею азоту, що збільшило термін міжремонтної експлуатації більш ніж у 2 рази.

ВИСНОВКИ

1. Проведено аналіз сучасного стану питання зниження собівартості виробництва чавуну, який показав необхідність вдосконалення використовуваних режимів роботи при нагріві дуття і удосконалення конструкцій доменних повітронагрівачів і суміжних пристроїв з метою скорочення витрати палива і підвищення рівня генерації теплоти.

2. З метою проведення теоретичних досліджень розроблена математична модель доменного повітронагрівача, яка використовує чисельний метод і встановлює достовірну картину процесів теплопередачі в камері горіння, з урахуванням вигорання палива по висоті.

Математична модель дозволяє розраховувати температурні поля газового середовища в камері горіння і вогнетривких стін залежно від основних параметрів нагрівання повітронагрівача.

3. Розрахунково-теоретичні дослідження, здійснені на основі розробленої математичної моделі, дозволили встановити уточнену температуру під куполом без використання пірометричного коефіцієнта, при цьому отримані температури адаптовані до експериментальних значень.

4. Чисельним методом визначені температурні поля насадки повітронагрівача, де на відміну від відомого рішення враховуються теплові втрати і тепловий потік від камери горіння через розділову стінку у повітронагрівачах із вбудованою камерою горіння. При розрахунку теплопередачі від диму до насадки отриманий незначний перепад температури по перетину вогнетривкого блока (не більше 5°С), при цьому кількість зон, на яку розбивається насадка по висоті, може бути скільки завгодно великою на відміну від відомих моделей.

5. Вперше в процесі моделювання визначені температурні поля насадки з урахуванням зовнішньої рециркуляції відхідних продуктів згорання. Розрахунками показано, що генерація теплоти в насадці збільшується при використанні рециркуляції за рахунок підвищення коефіцієнта тепловіддачі конвекцією, середня температура дуття при цьому зростає на 10–12°С.

6. У ході моделювання на моделі виконаний порівняльний аналіз параметрів роботи повітронагрівачів при регулюванні температури під куполом надлишковим повітрям і рециркулюючими продуктами горіння. Показано значні переваги останнього – економія палива складає до 8%, а концентрація оксидів азоту знижується на 30–35%.

7. Було запропоноване використання агломераційного газу в якості добавки до окислювача при опалюванні повітронагрівача, оскільки він має значну фізичну теплоту (температура до 300°С) і властивості окислювача (вміст кисню до 14%). Розрахунки показали, що використання агломераційного газу при спалюванні палива у повітронагрівачах дозволяє знизити витрату палива до 6%, а також поліпшити екологічність роботи агломераційної машини.

8. Результати моделювання на запропонованій моделі процесів теплопередачі у футерівці вбудованої камери горіння показали, що різниця в температурних подовженнях складає 77 мм. Розрахунки показали, що на межі вогнетривких шарів динас-мулітокорунд-72 дійсні напруги практично дорівнюють допустимим і складають 0,433 МПа, що і є однією з основних причин низької стійкості кладки камери горіння. Розраховане значення температур кладки дозволило розробити і упровадити модернізовану конструкцію розділової стінки повітронагрівача, що підвищує стійкість камери горіння і насадки.

9. Встановлення достовірної залежності зносу кладки вузла “тяги” доменної печі від режимних параметрів процесу взяття печі на “тягу” (температура, тривалість стоянки печі, витрата і склад горнових газів) дозволило розробити заходи щодо збільшення стійкості вузла “тяги” і міжремонтного терміну служби доменних повітронагрівачів.

Отримані практичні результати роботи підтверджені відповідними патентами України:

1. № 11154 Україна, МКИ С21В9/10 Спосіб захисту проти спрацювання футерівки пристрою для взяття доменної печі на “тягу”/ (С.В. Бичков, Л.П. Грес., Є.О. Каракаш та ін.). –
№ 200505114; Заявл. 30.05.05; Опубл.15.12.05; Бюл. № 12. – 5 с.

2. № 11153 Україна, МКИ С21В9/10 Пристрій для взяття доменної печі на “тягу”/
(С.В. Бичков, Л.П. Грес, Є.О. Каракаш та ін.). – № 200505115; Заявл. 30.05.05; Опубл. 15.12.05; Бюл. № 12. – 5 с.

Література

1. Грес Л.П., Каракаш Е.А., Флейшман Ю.М., Щурова Н.И. Математическое моделирование тепловой работи доменного воздухонагревателя// Металлургическая теплотехника. – 2006. – № 10. – С. 99–109.

2. Gres L.P., Karakash E.A. Influence of the recirculation products of combustion on parameters of the heat-exchange of blast-furnaced stoves// Acta Metallurgica Slovaca. – 2002. –
№ 8. – P. 36–39.

3. Грес Л.П.,Каракаш Е.А. Исследование особенностей механизма образования азотсодержащих соединений в доменной печи // Системные технологии-2003-№6-С.115-120.

4. Грес Л.П., Игнатов Н.В., Каракаш Е.А. Утилизация теплоты отходящих газов из хвостовой части агломашины // Металлургическая теплотехника, 2003-том 9-С.33-37.

5. Грес Л.П., Донсков Е.Г., Каракаш Е.А. и др. Повышение стойкости воздухонагревателей и увеличение температуры горячего дутья на доменных печах КГГМК “Криворожсталь”//Cталь-2004-№6-С.28-31.

6. Грес Л.П., Каракаш Е.А., Флейшман Ю.М., Волкова М.М., Щурова Н.И., Орел Г.И., Листопадов В.С., Андрианов А.И. Вопросы повышения работоспособности узла “тяги” на современных доменных печах //Металлургическая теплотехника-2005-книга 1- C.141-148.

7. Патент 11154 Україна, МКИ С21В9/10 Спосіб захисту проти спрацювання футерівки пристрою для взяття доменної печі на “тягу”/ (С.В. Бичков, Л.П. Грес.,
Каракаш Є.О. та ін.). – № 200505114; Заявл. 30.05.05; Опубл.15.12.05; Бюл. № 12. – 5 с.

8. Патент 11153 Україна, МКИ С21В9/10 Пристрій для взяття доменної печі на “тягу”/ (С.В. Бичков, Л.П. Грес., Каракаш Є.О. та ін.). – № 200505115; Заявл. 30.05.05; Опубл.15.12.05; Бюл. № 12. – 5 с.

Анотація

Каракаш Е.О. “Удосконалення режимів експлуатації повітронагрівачів доменних печей з метою підвищення їх терміну служби і температури дуття”. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.16.02 “Металургія чорних металів”. Національна Металургійна академія України Міністерства освіти і науки України. Дніпропетровськ, 2007 р.

На основі теоретичних і експериментальних досліджень теплових і масообмінних процесів у високотемпературних доменних повітронагрівачах і вузлі “тяги” розв’язана важлива науково-технічна задача підвищення енерго- і ресурсозберігання при нагріві доменного дуття.

Розроблений чисельний метод розрахунку теплової роботи доменного повітронагрівача, який дозволяє визначити температуру під куполом з урахуванням вигорання палива по висоті камери горіння, акумуляції теплоти футерівкою.

Запропонованим методом визначені температурні поля насадки повітронагрівача, який на відміну від відомого рішення враховує теплові втрати і теплообмін між камерою горіння і насадкою через розділову стінку у повітронагрівачах із вбудованою камерою горіння. Відмічено незначний перепад температури по перетину простінка вогнетривкого блока (не більше 50С), при цьому кількість зон, на які розбивається насадка по висоті, може бути скільки завгодно великим.

На основі розробленої математичної моделі визначені температурні поля насадки з урахуванням зовнішньої рециркуляції відхідних продуктів згорання. Розрахунково-теоретичні дослідження процесу нагрівання показали, що середня температура насадки підвищується при використанні рециркуляції за рахунок збільшення конвективної складової, що призводить до зростання середньої температури дуття на 10–12оС.

Розрахунково-теоретичні дослідження процесу нагріву повітронагрівача і відхідних агломераційних газів показали наявність температурного і хімічного потенціалу останніх для використання їх у якості добавки до окислювача при опалюванні повітронагрівача. Розрахунки показали, що використання аглогазу як окислювача при спалюванні палива у повітронагрівачах дозволяє знизити витрату палива до 6%, а також поліпшити екологічність роботи агломераційної машини.

На основі теоретичних і експериментальних досліджень встановлена залежність зносу кладки вузла “тяги” доменної печі від режимних параметрів процесу взяття печі на “тягу” (температури, тривалості стоянки печі, витрати і складу горнових газів), що дозволило розробити заходи щодо збільшення стійкості вузла “тяги”, які дозволяють у 2–2,5 раза збільшити міжремонтний період роботи доменних повітронагрівачів.

Ключові слова: повітронагрівач, моделювання, чисельний метод, гаряче дуття, стійкість, вогнетриви, вузол “тяги”, ефективність.

Аннотация

Каракаш Е.А. “Усовершенствование режимов эксплуатации воздухонагревателей доменных печей с целью повышения их срока службы и температуры дутья” Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.16.02 “Металлургия черных металлов”. Национальная Металлургическая академия Украины Министерства образования и науки Украины. Днепропетровск 2007 г.

На основе теоретических и экспериментальных исследований тепловых и массообменных процессов в высокотемпературных доменных воздухонагревателях и узле “тяги” решена важная научно-техническая задача повышения энерго- и ресурсосбережения при нагреве доменного дутья.

Разработан численный метод расчета тепловой работы доменного воздухонагревателя, позволяющий определить температуру под куполом с учетом выгорания топлива по высоте камеры горения, аккумуляции теплоты футеровкой.

Предложенным методом определены температурные поля насадки воздухонагревателя, который в отличие от известного решения учитывает тепловые потери и теплообмен между камерой горения и насадкой через разделительную стенку в воздухонагревателях со встроенной камерой горения. Отмечен незначительный перепад температуры по сечению простенка огнеупорного блока (не более 50С), при этом количество зон на которое разбивается насадка по высоте, может быть сколь угодно большим.

На основе разработанной математической модели определены температурные поля насадки с учетом внешней рециркуляции отходящих продуктов сгорания. Расчетно-теоретические исследования процесса нагрева показали, что средняя температура насадки повышается при использовании рециркуляции за счет увеличения конвективной составляющей, что приводит к росту средней температуры дутья на 10-120С.

Расчетно-теоретические исследования процесса нагрева воздухонагревателя и отходящих агломерационных газов показали наличие температурного и химического потенциала последних для использования их в качестве добавки к окислителю при отоплении воздухонагревателя. Расчеты показали, что использование аглогаза в качестве окислителя при сжигании топлива в воздухонагревателях позволяет снизить расход топлива до 6%, а также улучшить экологичность работы агломерационной машины.

На основе теоретических и экспериментальных исследований установлена зависимость износа кладки узла “тяги” доменной печи от режимных параметров процесса взятия печи на “тягу” (температуры, длительности стоянки печи, расхода и состава горновых газов), что позволило разработать мероприятия по увеличению стойкости узла “тяги”, позволяющие в 2-2,5 раза увеличить межремонтный период работы доменных воздухонагревателей.

Ключевые слова: воздухонагреватель, моделирование, численный метод, горячее дутье, стойкость, огнеупоры, узел “тяги”, эффективность.

Annotation

Karakash E.A. " Improvement of modes of operation hot-air stoves of blast furnaces with the purpose of increase of their service life and temperatures of blowing" the dissertation on competition of a scientific degree of Candidate Technical Science. on a specialty 05.16.02" Metallurgy of ferrous metals ". National Metallurgical academy of Ukraine of the Ministry of Education and a science of Ukraine. Dnepropetrovsk 2007.

On the basis of theoretical and experimental researches thermal and mass transfer processes in high-temperature domain hot-air stoves and unit of "draft" the important scientific and technical problem of increase power- and resource saving at heating domain blowing.

The numerical method of calculation of thermal work domain hot-air stove is developed, allowing to define temperature under a dome in view of burning out of fuel on height of the chamber of burning, accumulation of heat lining.

Keywords: hot-air stoves, modeling, a numerical method, hot blowing, stability, refractory products, unit of "draft", efficiency.