Магістерська робота

    У чорній металургії для термічної обробки і наданню виробам необхідних властивостей використовують паливні печі періодичної дії, причому деякі з них завдяки компактності розташування в цеху мають високі виробничі показник. Такі показники виявилися можливими за рахунок ассиметричного розташування факела і теплоиспользующих пристроїв (рекуператорів), що у свою чергу визначило і істотний недолік - значну нерівномірність розподілу температури за об'ємом робочої камери. Наприклад, в деяких камерних печах найбільш висока температура спостерігається у верхній частині поблизу фронтальної стіни, де зазвичай виробляють виміри температури термопарою системи регулювання, (t9, рис. 1), а найбільш холодна область розташовується в нижній частині печі - поблизу димовідвідного каналу (t18, рис. 1). Перепад температур між цими точками досягає 300⁰C (при рівні температур 1250 - 1350⁰С) в початковий період нагріву, що призводить до нерівномірного нагріву зливків в садінні, що складається з 16 - 20 зливків, збільшенню тривалості нагріву усього садіння, а, отже, і підвищенню питомої витрати палива.
    За багаторічний період промислового використання термічних печей запропонований ряд способів зниження нерівномірності температурного поля : застосування пальників, що коливаються; застосування факела, що коливається, відхилюваного високошвидкісним струменем стислого повітря; установка захисної стінки перед димовідвідним каналом; установка додаткових плоскопламенных пальників в бічних стінках робочої камери та ін. Запропоновані способи частково вирішували задачу, але виявилися або досить складними в експлуатації, або призводили до погіршення використання корисної площі печі, або призводили до втрати головного достоїнства термічних печей - компактності розташування в цеху.
    Одним з відомих способів зниження нерівномірності температурного поля в печах є імпульсне опалювання, яке полягає в безперервній подачі палива в період витримки металу в заданому інтервалі температур. Перемикання з мінімальної витрати палива (Bmin) на максимальний (Bmax) здійснюють при перепаді температур в робочому просторі печі між гарячою і холодною точками, рівному Δtк = Δtн·k, а перемикання з максимального значення (Bmax) на мінімальне (Bmin) - досягши заданої температури в гарячій точці робочого простору печі, де Δtн - перепад температур в гарячій (t9) і холодній (t18) точках у момент перемикання з Bmax на Bmin; Δtк - перепад температур в гарячій і холодній точках у момент перемикання з Bmin на Bmax; k - коефіцієнт вирівнювання. Перемикання виробляються з попередженням, що дозволяє виключити різкі скачки тиску в робочій камері. Гідність імпульсного опалювання термічних печей полягає у відсутності необхідності яких-небудь змін в конструкції печі для отримання рівномірного нагріву, а поперемінне нагрівання садіння "довгим" і "коротким" факелами сприяє вирівнюванню температури в робочій камері. Залежно від якості управління імпульсним опалюванням можливе збільшення продуктивності і зниження питомих витрат палива на 6 - 10%
    Складність в реалізації імпульсного опалювання являється недостатність інформації про температурне поле печі і металу, що нагрівається, необхідною для визначення моменту своєчасного перемикання палива. Представляється можливим для отримання повної інформації застосувати математичну зв'язану зональну модель горіння палива і теплообміну, яка полягає в спільному рішенні завдань нестаціонарних температурних полів металу і обмурування (кладки), теплового зонального балансу і функції вигорання палива. Модель передбачає розподіл робочої камери на об'ємні розрахункові зони (рис. 1) : по вертикалі - на верхню і нижню, по горизонталі - по числу зливків, які розташовані в одному ряду, наприклад, для термічних печей з садінням 100 т і масою зливка 5, 56 т загальне число зон дорівнює 18.

Рисунок 1 - Схема розбиття термічної печі на зони

    Відповідно до схеми розбиття колодязя на зони (рис. 1) можуть бути виділені по три типи рівнянь теплового балансу для верхніх і нижніх зон:
    Для крайньої, ближньої до пальника, зони 1:     для зон 2 – 8:     для крайньої дальньої зони 9:     для зони 10:     для зон 11-17:     для зоны 18:

     де а - коефіцієнт вигорання палива в зоні; У - витрата палива; Qнр - теплота згорання палива; Vг, сг - вихід продуктів згорання (газів) на одиницю палива і теплоємність газів; tг - температура газу; Lд, св - дійсна витрата повітря на одиницю палива і теплоємність повітря; tв - температура повітря; Q - потужність випромінювання із зони в зону; м - метал; г - газ; до - кладка (обмурування); u - номер зони.      При рішенні задачі період нагрівання розбивається на кроки за часом, значення яких визначаються рішенням внутрішньої задачі. З рівняння теплового балансу на кожному кроці за часом визначається температура газу (суміші продуктів згорання і повітря) в кожній зоні tru, яка використовується далі як гранична умова для вирішення нестаціонарного завдання для зливка і обмурування печі.      У моделі враховується функція вигорання палива по довжині печі, складний радіаційний теплообмін між продуктами згорання, внутрішньою поверхнею вогнетривкої кладки і поверхнею металу. Функція вигорання палива приймається на основі експериментальних даних і може коригуватися при їх накопиченні. Наприклад, функція вигорання для довгого факела (при Bmax) a_u^max і для короткого (при Bmin) a_u^min приведені на рис. 1. Окрім цього, в моделі враховується теплообмін між сусідніми зонами і переизлучение з верхніх зон в нижні, а також теплообмін між елементом поверхні зливка, що нагрівається, і елементами поверхні сусідніх зливків, внутрішньої поверхні обмурування, газових об'ємів нижніх і верхніх зон.      Температурне поле металу визначається шляхом рішення тривимірної задачі теплопровідності.При рішенні тривимірної задачі теплопровідності застосовується шеститочкова кінцева неявна різницева схема змінних напрямів, для вирішення якої був використаний метод розщеплення (метод дробових кроків), який полягає в тому, що складне багатовимірне завдання в процесі різницевого рішення замінюється безліччю простіших одновимірних завдань. Зливок розбивається на n кроків по координаті, для термічної печі зливок, що нагрівається, був розбитий, наприклад, на шість відрізків по трьох осях координат.      При рішенні тривимірної задачі теплопровідності застосовується шеститочкова кінцева неявна різницева схема змінних напрямів, для вирішення якої був використаний метод розщеплення (метод дробових кроків), який полягає в тому, що складне багатовимірне завдання в процесі різницевого рішення замінюється безліччю простіших одновимірних завдань. Зливок розбивається на n кроків по координаті, для термічної печі зливок, що нагрівається, був розбитий, наприклад, на шість відрізків по трьох осях координ      Температурне поле обмурування (кладки) визначалося шляхом рішення одновимірної задачі нестаціонарної теплопровідності для багатошарової стінки з граничними умовами III роду на внутрішній і зовнішній поверхнях по стандартному методу кінцевих різниць.     

Література

   1. Кавадеров А.В. Тепловая работа пламенных печей. - М.: Металлургиздат, 1956. - 367 с.
   2. Вулис Л.Н., Ершин Ш.А., Ярин Л.П. Основи теории газового факела. - М.: Енергія, 1968. - 203 с.
   3. Губинский В. И., Пашин И. К., Радченко Ю. Н. Металевий радиационно-конвективный рекуператор для нагрева воздуха в нагревательных колодцах // Теория и практ. Металлургии, 1998, № 4. - С. 37-39.
   4. А.с.1351963 СССР, МКИ С 27Д 1/36 Способи отопления термических печей / Ю.И. Розенгарт, Э.М. Гольдфарб, В.Л. Полєтаєв и др.(СССР). - № 153927; Заявлено 12.09.61., Опубл. 07.02.63. Бюл. № 83 - 3с.
   5. Леонтьев А.И. Теория тепломассообмена. М.: Высшая школа, 1979. - с.92-102.
   6. Тайц Н.Ю. и др. Расчёты нагревательных печей. Киев, "Техника", -1969.-с.355-374.
   7. Казанцев Е.И. Промышленные печи. М., "Металлургия", 1975. - с.312.
   8. Ключников А.Д., Иванцов Г.П. Теплопередача излучением в огнетехнических установках. М., "Энергия", 1970.- с.88-113.