Берковський Віталій Володимирович

        Факультет: Фізико-металургійний   (ФМФ)

        Специальность: Промислова теплотехніка   (ПТТ)

        Тема выпускної роботи: Розробка теплового режиму імпульсного опалювання  

                                                    нагрівального колодязя з одним верхнім пальником на основі 

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

            E-mail: bervit07@rambler.ru

Магістерська робота

         В прокатному виробництві чорної металургії для нагрівання сталевої заготівлі перед обробкою тиском використовують паливні печі періодичної дії, причому деякі з них завдяки компактності розташування в цеху мають високі групові показники продуктивності, що доводиться на 1 м² площі цеху. Такі показники виявилися можливими за рахунок асиметричного розташування факела і тепловикокистуючих пристроїв (рекуператорів), що у свою чергу визначило і істотний недолік - значну нерівномірність розподілу температури за об'ємом робочої камери. Наприклад, в деяких камерних печах для нагрівання сталевих злитків, які в металургії прийнято називати нагрівальними колодязями з опалюванням одним верхнім пальником (НК ОВП), найвища температура спостерігається у верхній частині колодязя поблизу фронтальної стіни, де звичайно проводять виміри температури термопарою системи регулювання, (t₉, рис. 1), а найхолодніша область розташовується в нижній частині робочої камери НК ОВГ – поблизу димовидводящого каналу (t₁₈, рис.1). Перепад температур між цими крапками досягає 300ºС (при рівні температур 1250 - 1350ºС ) в початковий період нагріву, що приводить до нерівномірного нагріву злитків в садінні, що складається з 16 – 20 злитків, збільшенню тривалості нагріву всього садіння, а, отже, і підвищенню питомої витрати палива.

       За багаторічний період промислового використовування НК ОВП запропонований ряд способів зниження нерівномірності температурного поля: застосування пальників, що гойдаються; застосування факела, відхилюваного високошвидкісним струменем стислого повітря, що гойдається; установка захисної стінки перед димовидводящім каналом; установка додаткових плоскопламених пальників в бічних стінках робочої камери і ін. Запропоновані способи частково вирішували задачу, але виявилися або достатньо складними в експлуатації, або приводили до погіршення використовування корисної площі печі, або приводили до втрати головної гідності НК ОВП – компактності розташування в цеху.

       Одним з відомих способів зниження нерівномірності температурного поля в НК ОВП є імпульсне опалювання, яке полягає в безперервній подачі палива в період витримки металу в заданому інтервалі температур. Перемикання з мінімальної витрати палива (B_min) на максимальну (B_max) здійснюють при перепаді температур в робочому просторі печі між гарячою і холодною крапками, рівному ∆t_к = ∆t_н*k, а перемикання з максимального значення (B_max) на мінімальне (B_min) – досягши заданої температури в гарячій точці робочого простору печі, де ∆t_н - перепад температур в гарячій (t₉) і холодній (t₁₈) крапках у момент перемикання з B_max на B_min; ∆t_к - перепад температур в гарячій і холодній крапках у момент перемикання з B_min на   B_max; де к - коефіцієнт вирівнювання. Перемикання проводяться з попередженням, що дозволяє виключити різкі скачки тиску в робочій камері. Гідність імпульсного опалювання НК ОВП 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 можливо збільшення продуктивності і зниження питомих витрат палива на 6 – 10%.

       Складність в реалізації імпульсного опалювання є недостатність інформації про температурне поле печі і металу, що нагрівається, необхідної 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 задач нестаціонарних температурних полів металу і обмурівки (кладки), теплового зонального балансу і функції вигоряння палива. Модель передбачає розділення робочої камери на об'ємні розрахункові зони (рис. 1): по вертикалі – на верхню і нижню, по горизонталі – по числу злитків, які розташовані в одному ряді, наприклад, для НК ОВГ з садінням 100 т і масою злитка 5, 56 т загальне число зон рівно 18.

Рисунок 1 – Схема розбиття НК ОВП на зони

       Відповідно до схеми розбиття колодязя на зони (рис.1) можуть бути виділений 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 зони 18:

       де а - коефіцієнт вигоряння палива в зоні; В - витрата палива; Q_н^р - теплота згоряє палива; V_г, с_г - вихід продуктів згоряє (газів) на одиницю палива і теплоємність газів; t_г - температура газу; L_д, с_в - дійсна витрата повітря на одиницю палива і теплоємність повітря; t_в - температура повітря; Q - потужність випромінювання із зони в зону; м - метал; г - газ; до - кладка (обмурівка); 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 згоряє і повітря) в кожній зоні t_ru, яка використовується далі як гранична умова для вирішення нестаціонарної задачі для злитка і обмурівки печі.

       В моделі враховується функція вигоряння палива по довжині печі, складний радіаційний теплообмін між продуктами згоряє, внутрішньою поверхнею вогнетривкої кладки і поверхнею металу. Функція вигоряння палива приймається на основі експериментальних даних і може коректуватися при їх накопиченні. Наприклад, функція вигоряння для довгого факела (при B_max)  a_u^max   і для короткого (при B_min) a_u^min   приведені на рис. 1. Окрім цього, в моделі враховується теплообмін між сусідніми зонами і перевипромінювання з верхніх зон в нижні, а також теплообмін між елементом поверхні злитка, що нагрівається, і елементами поверхні сусідніх злитків, внутрішньої поверхні обмурівки, газових об'ємів нижніх і верхніх зон.

  Температурне поле металу визначається шляхом рішення тривимірної задачі теплопровідності:

з граничними умовами III роду:

де λ - коефіцієнт теплопровідності металу ρ - густина металу, с - теплоємність металу, a_луч - коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням,  a_конв - коефіцієнт тепловіддачі конвекцією, t_печ - температура печі, якою є температура умовного абсолютно чорного випромінювача, що дає тепловий потік на метал, що нагрівається, як суму теплових потоків від газів і кладки, і, яка звичайно вимірюється термопарою або радіаційним пірометром і використовується в системах регулювання:

де ε_гкм – приведений ступінь чорноти в системі «газ – кладка ‑  метал» ε_{печ м} ‑  приведений ступінь чорноти в системі «піч ‑  метал», Т_г – температура газу, Т_м – температура металу.

       При рішенні тривимірної задачі теплопровідності застосовується шеститочкова кінцева неявна різницева схема змінних напрямів, для вирішення якій був використаний метод розщеплювання (метод дробових кроків), який полягає в тому, що складна багатовимірна задача в процесі різницевого рішення замінюється безліччю більш простих одновимірних задач. Злиток розбивається на n кроків по координаті, для НК ОВП злиток, що нагрівається, був розбитий, наприклад, на шість відрізків по трьох осях координат. У разі тривимірної задачі теплопровідності метод розщеплювання приводить до наступної одновимірної схеми:

        В кожному з різницевих рівнянь члени, апроксимуючі другі похідні по двох з координат можуть бути опущений, причому при рішенні системи рівнянь просування в часі відбувається на 1/3 тимчасового кроку. Апроксимуючі вирази приймають наступний вигляд:

         Для визначення нестаціонарного температурного поля злитка, як активна координата Ктек виступає координата, лінія якої розраховується на даному кроці за часом (∆τ), як допоміжні – дві координати, які залишилися (К_всп1, К_всп2), по яких робиться переміщення:

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

де К_всп1, К_всп2 – крок по координаті;  ∆К_всп1, ∆К_всп2 – приріст по координаті.

       Температура поточної активної координати розраховується по методу прогону. Як поточна координата (К_тек) на першому кроці за часом (τ=1/3*∆τ) виступає координата х, а у і z – допоміжні (К_всп1 и К_всп2 відповідно). Розміри і кількість вузлів злитка приймаються відповідно координатам. На другому кроці за часом (τ=2/3*∆τ) поточною координатою виступає (К_тек = у), а допоміжними – К_всп1 = х и К_всп2 = z. На третьому кроці за часом (τ=∆τ) К_тек = z, К_всп1 = x, К_{всп2 =} y. Представлення температур злитка здійснюється у вигляді тривимірного масиву.

       Температурне поле обмурівки (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.

       Таким чином, в роботі приведені принципи побудови математичної теплофізичної  моделі паливної камерної печі періодичної дії. Модель є зв'язаною, в якій спільно розв'язується зовнішня і внутрішня задачі теплообміну, зв'язані тепловим балансом, і формуються граничні умови по ходу процесу нагріву. Модель є зональною (багатошарової), що дозволяє визначити розподіл параметрів гріючого середовища за об'ємом робочої камери. В моделі введена функція вигоряння палива, що дозволяє задавати частку палива, що згоряє в кожній зоні при дифузійному (тобто найскладнішому при моделюванні) горінні. Модель є теплофизичною основою математичного забезпечення системи автоматичного регулювання, наприклад при імпульсному опалюванні печі.

Література:   

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.