Берковский Виталий Владимирович

        Факультет: Физико-металлургический   (ФМФ)

        Специальность: Промышленная теплотехника   (ПТТ)

        Тема выпускной работы: Разработка теплового режима импульсного отопления 

                                                      нагревательного колодца с одной верхней горелкой на 

                                                     основе комплексной зональной сопряженной модели.

        Руководитель: профессор, к.т.н. Курбатов Ю. Л.

         Магистерская  работа

      В прокатном производстве черной металлургии для нагревания стальных заготовок перед обработкой давлением используют топливные печи периодического действия, причем некоторые из них благодаря компактности расположения в цехе имеют высокие групповые показатели производительности, приходящейся на 1 м² площади цеха. Такие показатели оказались возможными за счет ассиметричного расположения факела и теплоиспользующих устройств (рекуператоров), что в свою очередь определило и существенный недостаток - значительную неравномерность распределения температуры по объему рабочей камеры. Например, в некоторых камерных печах для нагревания стальных слитков, которые в металлургии принято называть нагревательными колодцами с отоплением одной верхней горелкой (НК ОВГ), наиболее высокая температура наблюдается в верхней части колодца вблизи фронтальной стены, где обычно производят измерения температуры термопарой системы регулирования, (t₉, рис. 1), а наиболее холодная область располагается в нижней части рабочей камеры НК ОВГ – вблизи дымоотводящего канала (t₁₈, рис.1). Перепад температур между этими точками достигает 300ºС (при уровне температур 1250 - 1350ºС) в начальный период нагрева, что приводит к неравномерному нагреву слитков в садке, состоящей из 16 – 20 слитков, увеличению длительности нагрева всей садки, а, следовательно, и повышению удельного расхода топлива.

    За многолетний период промышленного использования НК ОВГ предложен ряд способов снижения неравномерности температурного поля: применение качающихся горелок; применение качающегося факела, отклоняемого высокоскоростной струей сжатого воздуха; установка защитной стенки перед дымоотводящим каналом; установка дополнительных плоскопламенных горелок в боковых стенках рабочей камеры и др. Предложенные способы частично решали задачу, но оказались или достаточно сложными в эксплуатации, или приводили к ухудшению использования полезной площади печи, или приводили к потере главного достоинства НК ОВГ – компактности расположения в цехе.

    Одним из известных способов снижения неравномерности температурного поля в НК ОВГ является импульсное отопление, которое заключается в непрерывной подаче топлива в период выдержки металла в заданном интервале температур. Переключение с минимального расхода топлива (B_min) на максимальный (B_max) осуществляют при перепаде температур в рабочем пространстве печи между горячей и холодной точками, равном ∆t_к = ∆t_н*k, а переключение с максимального значения (B_max) на минимальное (B_min) – при достижении заданной температуры в горячей точке рабочего пространства печи, где ∆t_н - перепад температур в горячей (t₉) и холодной (t₁₈) точках в момент переключения с B_max на B_min; ∆t_к- перепад температур в горячей и холодной точках в момент переключения с B_min на  B_max; k - коэффициент выравнивания. Переключения производятся с упреждением, позволяющим исключить резкие скачки давления в рабочей камере. Достоинство импульсного отопления НК ОВГ заключается в отсутствии необходимости каких-либо изменений в конструкции печи для получения равномерного нагрева, а попеременное нагревание садки «длинным» и «коротким» факелами способствует выравниванию температуры в рабочей камере. В зависимости от качества управления импульсным отоплением возможно увеличение производительности и снижение удельных расходов топлива на 6 – 10%.

    Сложность в реализации импульсного отопления является недостаточность информации о температурном поле печи и нагреваемого металла, необходимой для определения момента своевременного переключения топлива. Представляется возможным для получения полной информации применить математическую сопряженную зональную модель горения топлива и теплообмена, которая состоит в совместном решении задач нестационарных температурных полей металла и обмуровки (кладки), теплового зонального баланса и функции выгорания топлива. Модель предусматривает разделение рабочей камеры на объемные расчетные зоны (рис. 1): по вертикали – на верхнюю и нижнюю, по горизонтали – по числу слитков, которые расположены в одном ряду, например, для НК ОВГ с садкой 100 т и массой слитка 5, 56 т общее число зон равно 18.

Рисунок 1 – Схема разбиения НК ОВГ на зоны

    В соответствии со схемой разбиения колодца на зоны (рис.1) могут быть выделены по три типа уравнений теплового баланса для верхних и нижних зон:

          Для крайней, ближней к горелке, зоны 1:

          для зон 2 – 8:

         для крайней дальней зоны 9:

         для зоны 10:

        для зон 11-17:

        для зоны 18:

    где а - коэффициент выгорания топлива в зоне; В - расход топлива; Q_н^р - теплота сгорания топлива; V_г, с_г - выход продуктов сгорания (газов) на единицу топлива и теплоемкость газов; t_г - температура газа; L_д, с_в - действительный расход воздуха на единицу топлива и теплоемкость воздуха; t_в - температура воздуха; Q - мощность излучения из зоны в зону; м - металл; г - газ; к - кладка (обмуровка); u - номер зоны.

    При решении задачи период нагревания разбивается на шаги по времени, значения которых определяются решением внутренней задачи. Из уравнения теплового баланса на каждом шаге по времени определяется температура газа (смеси продуктов сгорания и воздуха) в каждой зоне t_ru, которая используется далее как граничное условие для решения нестационарной задачи для слитка и обмуровки печи.

    В модели учитывается функция выгорания топлива по длине печи, сложный радиационный теплообмен между продуктами сгорания, внутренней поверхностью огнеупорной кладки и поверхностью металла. Функция выгорания топлива принимается на основе экспериментальных данных и может корректироваться при их накоплении. Например, функция выгорания для длинного факела (при B_max)  a_u^max  и для короткого (при B_min) a_u^min  приведены на рис. 1. Кроме этого, в модели учитывается теплообмен между соседними зонами и переизлучение из верхних зон в нижние, а также теплообмен между элементом поверхности нагреваемого слитка и элементами поверхности соседних слитков, внутренней поверхности обмуровки, газовых объемов нижних и верхних зон.

 Температурное поле металла определяется путем решения трехмерной задачи теплопроводности:

с граничными условиями III рода:

где λ - коэффициент теплопроводности металла, ρ - плотность металла, с - теплоемкость металла, a_луч - коэффициент теплоотдачи излучением, a_конв - коэффициент теплоотдачи конвекцией, t_печ - температура печи, которой является температура условного абсолютно черного излучателя, дающего тепловой поток на нагреваемый металл как сумму тепловых потоков от газов и кладки, и, которая обычно измеряется термопарой или радиационным пирометром и используется в системах регулирования:

где ε_гкм – приведенная степень черноты в системе «газ – кладка ‑ металл», ε_{печ м} ‑ приведенная степень черноты в системе «печь ‑ металл», Т_г – температура газа, Т_м – температура металла.

    При решении трехмерной задачи теплопроводности применяется шеститочечная конечная неявная разностная схема переменных направлений, для решения которой был использован метод расщепления (метод дробных шагов), который заключается в том, что сложная многомерная задача в процессе разностного решения заменяется множеством более простых одномерных задач. Слиток разбивается на n шагов по координате, для НК ОВГ нагреваемый слиток был разбит, например, на шесть отрезков по трем осям координат. В случае трехмерной задачи теплопроводности метод расщепления приводит к следующей одномерной схеме:

    В каждом из разностных уравнений члены, аппроксимирующие вторые производные по двум из координат могут быть опущены, причем при решении системы уравнений продвижение во времени происходит на 1/3 временного шага. Аппроксимирующие выражения принимают следующий вид:

     Для определения нестационарного температурного поля слитка  в качестве активной координаты К_тек выступает координата, линия которой рассчитывается на данном шаге по времени (∆τ), в качестве вспомогательных – две координаты, которые остались (К_всп1, К_всп2), по которым делается перемещение:

                        К_всп1 = К_{всп1 +} ∆К_всп1;   К_всп2 = К_всп2 + ∆К_всп2 ,

где К_всп1, К_всп2 – шаг по координате; ∆К_всп1, ∆К_всп2 – приращение по координате.

    Температура текущей активной координаты рассчитывается по методу прогонки. В качестве текущей координаты (К_тек) на первом шаге по времени (τ=1/3*∆τ) выступает координата х, а y и z – вспомогательные (К_всп1 и К_всп2 соответственно). Размеры и количество узлов слитка принимаются соответственно координатам. На втором шаге по времени (τ=2/3*∆τ) текущей координатой выступает (К_тек = у), а вспомогательными – К_всп1 = х и К_всп2 = z. На третьем шаге по времени (τ=∆τ) К_тек = z, К_всп1 = x, К_{всп2 =} y. Представление температур слитка осуществляется в виде трехмерного массива.

    Температурное поле обмуровки (кладки) определялось путем решения одномерной задачи нестационарной теплопроводности для многослойной стенки с граничными условиями III рода на внутренней и внешней поверхностях по стандартному методу конечных разностей.

    Таким образом, в работе приведены принципы построения математической теплофизической модели топливной камерной печи периодического действия. Модель является сопряженной, в которой совместно решается внешняя и внутренняя задачи теплообмена, связанные тепловым балансом, и формируются граничные условия по ходу процесса нагрева. Модель является зональной (многослойной), что позволяет определить распределение параметров греющей среды по объему рабочей камеры. В модели введена функция выгорания топлива, позволяющая задавать долю топлива, сгорающего в каждой зоне при диффузионном (т.е. наиболее сложном при моделировании) горении. Модель является теплофизической основой математического обеспечения системы автоматического регулирования, например при импульсном отоплении печи.

Литература:   

1. Губинский В.И. Усовершенствование нагрева слитков в колодцах // Металлургическая и горнорудная промышленность, 1975. - № 1. - С. 41-43.

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.65-67.

3. Колобов П.И., Боодин П.Э., Дарманян А.Г. и др. Опыт работы рекуперативных нагревательных колодцев с одной верхней горелкой // Сталь. - 1962. - с.566-572.

4. Производство блюмов, слюбов и заготовок из углеродистых и легированных марок стали в обжимном цехе // Технологическая инструкция ТИ 234-П.03.01-2002. - с.20-30.

5. Шаламов Ю.Н. Исследование работы и совершенствование конструкции, способа отопления и тепловых режимов нагревательных колодцев с верхней горелкой: Дис. канд.тех.наук: 05.16.02., - Жданов, 1980. - 258с.

6. Губинский В.И., Сацкий В.А., Гладуш В.Д. и др. Работа нагревательного колодца с качающейся горелкой // Сталь, 1976. - № 9. - С. 862-869.

7. Капустин Е.А., Шмачков П.Л., Кривенко П.Г. и др. Работа нагревательных \колодцев усовершенствованной конструкции // Сталь. - 1983. - №8. - с.88-90.

8. Hasegava H., Shoda H. Energy saving soaking pits // Iron and Steel Eng. - 1981.- Vol. 58, №9. - P. 42-47.

9. Кривенко П.Т., Шаламов Ю.Н., Кулаков А.М. и др. Улучшение тепловой работы нагревательных колодцев с одной верхней горелкой // Металлург. и горноруд. пром-сть. - 1978. - №24. - с. 44-46.

10. Котляревский Е.М., Баженов А.В., Заварова И.С. и др. Интенсификация процессов нагрева в колодцах с верхней горелкой // Сталь - 1978. - №6. - с.566- 568.

11. Казанцев Е.И. Промышленные печи. М., "Металлургия", 1975. - с.312.

12. Ключников А.Д., Иванцов Г.П. Теплопередача излучением в огнетехнических установках. М., "Энергия", 1970.- с.88-113.

13. Тайц Н.Ю. и др. Расчёты нагревательных печей. Киев, "Техника", -1969.-с.355-374.

14. Леонтьев А.И. Теория тепломассообмена. М.: Высшая школа, 1979. - с.92-102

16. Удосконалення системи опалення нагрівальних колодязів: Звіт про НДР / Донецьк. політех. ін-т. (ДПІ); Керівник Ю.Л. Курбатов. - Інв.№ Б730069. - М., 1980. - 75 с.: іл.

17. Дубровский В.С., Дубровская Ю.А. Методи повышения продуктивности рекуперативних нагревательных колодцев // Сб. статей Доннии ЧМ, 1968. - № 5. - С. 178-181.

18. Корочкин Е. И., Колюбакина Г.С. Поліпшення работи нагревательных колодцев с одной верхней горелкой // Черметинформация, 1972. - Т.13, № 3. - С.12.

19. 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.

20. Миткалинный В.И., Утенков А.Ф., Барбаев В.И. и др. Исследование закрученного потока относительно к нагревательному колодцу с центральной горелкой // Ведомости вузов. Чорная металлургия, 1979. - № 5. - С. 119- 122.

21. Спивак Э. И. Нагревательные колодцы с отоплением одной верхней горелкой // Сб. работ. Стальпроэкт, 1968. - вып.7. - С. 23-34.

22. 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.

23. Вулис Л.Н., Ершин Ш.А., Ярин Л.П. Основи теории газового факела. - М.: Енергія, 1968. - 203 с.

24. Dormire John C., Benefits of applying regenerative burner technology to continuous reheat furnace // AISE Technol. - 2000. - № 4. - С. 55-57.

25. Кавадеров А.В. Тепловая работа пламенных печей. - М.: Металлургиздат, 1956. - 367 с.

26. Мантуров В.В., Хлопонин В.Н., Талмазан В.А. і ін. Влияние условий нагрева слитков в колодцах на параметри проката и концевую обрезь слябов // Сталь. - 1991. - № 7. - С. 41-45.

27. Лисиенко В.Г., Фетисов В.А., Хухарев М.І. і ін. Розробка і випробування непрямо-імпульсного опалення// Тези доповідей Республіканської конференції "Проблеми теплової роботи металургійних печей". - Дніпропетровськ, 1976. - 157 с.

28. Казяев М.Д., Кисельов Е.В., Лошкарев Н.Б. и др. Усовершенствование конструкции и тепловои работи нагревательного колодца с применением физического моделирования // Сталь, 2002. - № 5.- С. 61-64.