Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Иванов Дмитрий Анатольевич
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ НАГРЕВА ПРУТКОВЫХ ЗАГОТОВОК В ПЛАМЕННЫХ ЩЕЛЕВЫХ ПЕЧАХ С ЦЕЛЬЮ СНИЖЕНИЯ УДЕЛЬНОГО РАСХОДА ТОПЛИВА
Специальность 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Магнитогорск - 2012
Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И.Носова.
Научный руководитель - кандидат технических наук, доцент Сеничкин Борис Кронидович.
Официальные оппоненты:
Дружинин Геннадий Михайлович - доктор технических наук, профессор, ОАО ВНИИМТ, первый заместитель генерального директора - директор по науке и технике;
Михайловский Владимир Николаевич - кандидат технических наук, ОАО Магнитогорский металлургический комбинат, заместитель начальника центра энергосберегающих технологий.
Ведущая организация - ФГАОУ ВПО Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина.
Защита состоится 25 сентября 2012 г. в 16-00 на заседании диссертационного совета Д 212.111.01 при ФГБОУ ВПО Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова по адресу: 4550г.Магнитогорск, пр. Ленина, 38, малый актовый зал.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова.
Автореферат разослан л___ ___________ 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Селиванов Валентин Николаевич
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Металлургическая промышленность России потребляет более 15% энергетических ресурсов страны. Оборудование, используемое в отрасли, имеет длительный срок эксплуатации. Частичная реконструкция его началась 15-20 лет назад, но в основном на крупных предприятиях. На мелких и средних предприятиях в настоящее время используют печное оборудование разработок 50Ц70-х гг. прошлого века. В энергетическом отношении используемые печи характеризуются несовершенными тепловыми схемами и повышенным удельным расходом топлива, вызванным большими теплопотерями.
В то же время низкая эффективность управления производственным процессом приводит к работе оборудования с длительным холостым ходом и непроизводительными простоями. В результате, удельные расходы топлива на нагрев металла увеличиваются на 40-70%, снижается срок службы печи, увеличиваются тепловые потери. Рентабельность производства снижается за счет больших расходов топлива на работу печи в режиме холостого хода.
Технология производства крупных винтовых пружин включает процесс оттяжки или вальцовки концов заготовок перед последующим нагревом и навивкой. Для этой цели концы заготовок нагревают до 900-1150С в небольших пламенных щелевых печах, коэффициент полезного теплоиспользования (КПТ) которых составляет 2,9-14,3%. Масштабного перевода топливных печей на нагрев электрической энергией в существующих производствах не происходит вследствие её высокой стоимости.
Согласно Энергетической стратегии России на период до 2030 г. и Стратегии развития металлургической промышленности России на период до 2020 г. планируется к 2020 году сократить удельные затраты топливноэнергетических ресурсов в металлургическом переделе на 12-15%, при увеличении общего производства продукции на 32-49%. Одним из основных методов повышения эффективности металлургической и машиностроительной отраслей является экономия энергетических ресурсов, поэтому энергосбережение на сегодняшний день является актуальной задачей.
Цель работы. Совершенствование нагрева заготовок за счёт интенсификации теплообмена в топливных щелевых печах для расширения диапазона производительности и снижения теплопотребления печи в режиме холостого хода.
В соответствии с целью в работе поставлены и решены следующие задачи:
- анализ существующих конструкций пламенных щелевых печей и изучение основных способов интенсификации теплообмена в печах, повышения качества нагрева металла, снижение окисления и обезуглероживания стали при нагреве;
- экспериментальное исследование нагрева заготовок из пружинной стали в действующей пламенной щелевой печи;
- научно обоснованная разработка конструкции энергосберегающей щелевой печи для повышения качества нагрева металла;
- математическое моделирование процессов теплообмена и газодинамики системы печь-заготовка; определение параметров конвективного теплообмена факела плоскопламенной горелки со сводом печи и температурных полей металла при различных режимах работы;
- разработка рациональных энергосберегающих режимов нагрева металла для снижения удельного расхода топлива при нагреве заготовок.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- получены новые экспериментальные данные по тепловым потерям теплопроводностью металла в щелевых печах; введено понятие потерь теплоты на нерациональный нагрев части заготовки, не участвующей в технологическом процессе вальцовки, и представлены числовые значения тепловых потерь через заготовку;
- предложены новые научно обоснованные подходы конструирования энергосберегающих щелевых печей для нагрева прутковых заготовок и на их основе разработана новая конструкция печи;
- разработана математическая модель теплообмена и газодинамики системы щелевая печь - нагреваемая заготовка, учитывающая потери теплоты теплопроводностью металла; впервые с использованием теории пограничного слоя и пристеночных функций аналитически определены параметры конвективного теплообмена факела плоскопламенных горелок со сводом печи, позволяющие повысить точность описания теплообменных процессов в печах со сводовым отоплением;
- предложены рациональные энергосберегающие режимы нагрева металла в щелевой печи на основе разработанной математической модели, позволяющие снизить удельный расход топлива на нагрев металла.
Практическая ценность работы. Оценка конструкции разработанной щелевой печи показала, что удельный расход тепла на нагрев металла при сопоставимой производительности уменьшается более чем в 3,4 раза за счёт сокращения тепловых потерь. Нагрев заготовок в печи может происходить в диапазоне производительности 6-100% от номинального значения, при этом КПТ печи составит не менее 19%. Определены рациональные энергосберегающие режимы работы печи. По теоретическим оценкам экономический эффект от реконструкции щелевых печей составит не менее 342 руб./т нагреваемого металла (в ценах 2011 г.).
Использование разработанной математической модели позволяет рассчитывать температуры и продолжительность нагрева металла, температурные поля и тепловые потоки в щелевой печи. Получены расчётные формулы для определения параметров конвективного теплообмена факела плоскопламенной горелки со сводом печи в камерных и щелевых печах. Результаты работы нашли практическое применение при проектировании новых и реконструкции имеющихся щелевых и камерных печей (получен патент на полезную модель № 64330 РФ Нагревательная щелевая печь), а также для совершенствования режимов работы и систем управления нагревательными печами.
Математические и компьютерные модели тепловой работы щелевой печи и нагреваемой заготовки внедрены в учебный процесс подготовки теплофизиков и теплоэнергетиков.
Достоверность и обоснованность. Достоверность результатов исследований обеспечивается применением современных измерительных приборов.
Результаты экспериментов неоднократно проверялись на повторяемость и адекватность и сравнивались с известными данными других авторов. Адекватность математической модели подтверждена сравнением с производственными экспериментальными данными. Полученные материалы не противоречат известным физическим закономерностям и базируются на современных фундаментальных положениях и законах.
Апробация работы. Результаты работы доложены и обсуждены на 12-й Международной научно-технической конференции студентов и аспирантов Радиоэлектроника, электротехника и энергетика (г. Москва, 2006 г.); VI и X Международных научно-технических конференциях молодых специалистов ОАО ММК (г. Магнитогорск, 2006, 2010 гг.); 7-й, 8-й и 10-й Всероссийских научно-практических конференциях студентов, аспирантов и специалистов Энергетики и металлурги настоящему и будущему России (г. Магнитогорск, 2006, 2007, 2009 гг.); Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных Проблемы теплоэнергетики (г.
Челябинск, 2007 г.); Всероссийской научно-практической конференции Теория и практика нагревательных печей в XXI веке (г. Екатеринбург, 2010 г.);
Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии (г. Екатеринбург, 2010 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 статей в журналах и сборниках научных трудов, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, получен один патент РФ на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, библиографического списка из 111 источников и 11 приложений.
Она изложена на 197 страницах машинописного текста, включает 28 таблиц, 55 рисунков.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определена её цель, решаемые задачи, научная новизна и практическая значимость.
Первая глава включает три части. В первой части на основании критического анализа научно-технических трудов и патентного поиска рассмотрены существующие конструкции щелевых печей. Обнаружено, что существующие конструкции щелевых печей и технологии нагрева концов прутков характеризуются применением ограниченного количества мероприятий, направленных на энерго- и ресурсосбережение. Причем применение в различных щелевых печах только отдельных энергосберегающих мероприятий свидетельствует об отсутствии системного подхода в конструировании печи с позиции экономии энергоресурсов. Выявлено, что подробного исследования тепловой работы щелевых печей с анализом всех составляющих теплообмена и тепловых потерь в известной литературе не производилось.
Во второй части первой главы сделан аналитический обзор энергосберегающих направлений применительно к щелевым печам. Большой вклад в теоретическое и практическое изучение вопросов повышения эффективности использования топлива при нагреве металла внесли Глинков М.А., Китаев Б.И., Тимофеев В.Н., Кривандин В.А., Лисиенко В.Г., Сатановский Л.Г., Немзер Г.Г. и др. В диссертации рассмотрены различные системы отопления и вопросы интенсификации теплообмена в нагревательных печах. Определено, что одной из наиболее эффективных систем отопления в малых печах является косвенный радиационный нагрев (КРН), организованный с помощью плоскопламенных горелок.
Для печей со сводовым отоплением на основании работ сотрудников института Стальпроект, ВНИИМТ, Института газа АН Украины, НМетАУ и других организаций более детально произведен анализ и оценка влияния отдельных составляющих на работу печи в режиме КРН: степени черноты футеровки, развития футеровки, рециркуляционных процессов и способа удаления продуктов сгорания, тепловой мощности, температуры футеровки, эксцентриситета излучения, степени черноты пламени, степени черноты металла, температуры металла, коэффициента теплоотдачи от факела к своду печи (ф, Вт/(м2К)), температуры подогрева воздуха. В частности, показано, что существующие расчётные методики позволяют приближённо, с учётом целого ряда допущений, определить параметры конвективного теплообмена факела плоскопламенной горелки со сводом печи и не учитывают температуру подогрева воздуха, удельную тепловую мощность горелки, температуру свода печи. В то же время ошибки, связанные с определением ф, вносят относительную погрешность в расчеты температуры кладки, которая при определенных условиях может достигать 5%, в расчеты относительного теплового потока на металл до 23% и до 185% в определении плотности конвективного теплового потока к своду печи.
В третьей части первой главы рассмотрены вопросы, связанные с технологией нагрева металла. Основы теории нагрева заложены, в основном, российско-советской школой. Прежде всего, следует отметить выдающихся учёных теплотехников-металлургов, которые внесли неоценимый вклад в развитие основных направлений технологии нагрева: Тайц Н.Ю., Зобнин Б.Ф., Эфрос М.М., Губинский В.И., и др. Анализ работ показал, что использование для теплогенерации в щелевых печах сводовых горелок с реализацией КРН позволяет снизить угар металла, глубину обезуглероживания и повысить качество нагрева заготовки. Печи с КРН характеризуются энергетическими, технологическими и экологическими преимуществами.
Имеющаяся теоретическая база позволяет произвести анализ основных составляющих теплообмена в печи и определить пути интенсификации теплообмена. Однако современные производственные условия, связанные с повышенным вниманием к удельному расходу топлива на фоне изменения производительности печей и различными режимами работы оборудования, предъявляют дополнительные требования к конструкции и возможным режимам работы печи, исследованию которых необходимо уделить особое внимание.
Во второй главе исследована технология нагрева концов заготовок в щелевых печах с верхним удалением продуктов сгорания.
Эффективность нагрева заготовок в щелевой печи определяется тремя группами факторов: 1 группа - технические факторы (печное оборудование);
2 группа - технологические факторы (режимы нагрева); 3 группа - факторы управления (режимы функционирования).
Для анализа наиболее значимых факторов, влияющих на работу печи и нагрев заготовок, на основании метода планирования эксперимента были исследованы щелевые печи марки НТ-203 тепловой мощностью 460 кВт, которые обогреваются 3-мя инжекционными горелками марки 6М-1-К с номинальным расходом природного газа (ПГ) на горелку 16,9 м3/ч.
В ходе проведения экспериментов была получена информационная база, содержащая данные о составе продуктов сгорания (O2, CO, CO2, NO, NOx), давлении и температурах продуктов сгорания по осям горелок, в плоскости щели и в горловине печи. Кроме того, были произведены замеры температур кладки с внутренней и внешней сторон печи, температур нагреваемого металла во времени при движении в печи, давление ПГ в инжекционных горелках и магистрали.
Для анализа производственных факторов, влияющих на эффективность использования топлива и загрузки печей, производился хронометраж режимов работы печи (загрузка, выгрузка, холостой ход), потребление ПГ в каждом режиме и его продолжительность.
Результаты проведённых исследований позволили сделать следующие обобщающие выводы по работе щелевых печей в стационарном режиме:
1. Система отопления, организованная с помощью инжекционных горелок, не обеспечивает паспортного диапазона регулировки 1:3. При снижении производительности горелок ниже 75% от номинального значения образование стехиометрической смеси в горелке не происходит и процесс горения в нижней зоне печи завершается с недожёгом (содержание CO>1%).
Дожигание горючих компонентов происходит в верхней зоне и в горловине печи, что увеличивает тепловые потери с химическим недожогом. В связи с возрастанием температуры в верхней части печи выше допустимой проектной также увеличиваются тепловые потери через кладку.
2. В исследуемых печах используется схема движения газов с теплогенерацией в нижней зоне печи и верхним дымоудалением. Недостатки, связанные с газодинамикой печи, можно проследить на рис. 1, 2. Схема движения газов получена на основании замеров полей давлений и визуальной картины, полученной с помощью задымления воздуха горения.
Vпс, tпс Vвыб tвыб Vподс tподс Рис. 1. Схема движения газов в щелевой печи в рабочем режиме:
V - расход, м3/с; t - температура, С. Индексы: пс - продукты сгорания;
подс - подсасываемый воздух; выб - выбивающиеся продукты сгорания Дожиганию природного газа после щели способствуют подсосы воздуха преимущественно с боков печи. Во фронтальной части печи наблюдается более сложная картина движения газов: по высоте щели происходит разделение потоков продуктов сгорания и подсасываемого воздуха на две части. В верхней части щели в рабочем режиме, по фронту печи происходит выбивание продуктов сгорания, а в нижней части печи - подсос воздуха. В режиме холостого хода интенсифицируются подсосы с левой и правой стороны, вызывая охлаждение кладки. В этом режиме для поддержания температуры в рабочем пространстве используется работа, как правило, центральной горелки, что в связи с интенсивными подсосами воздуха недостаточно. С фронта печи глубина проникновения подсасываемого воздуха увеличивается, при этом выбивание продуктов сгорания отсутствует (см. рис. 2). Кроме указанных недостатков, исследуемая схема движения газов не обеспечивает эффективного использования имеющейся теплоты продуктов сгорания и, как следствие, возникают значительные потери теплоты с уходящими газами Qух, которые достигают 60% от расходной части теплового баланса в рабочем режиме.
3. В результате исследований установлено, что температура внутри печи принимает значения выше допустимой проектной 1100С, как следствие, теплоизоляционный слой печи работает в нерасчётных условиях, кладка перегревается и теряет свои теплоизоляционные свойства. Наружная температура печи достигает 360С и не соответствует нормативным значениям.
Конструкция щелевых печей предусматривает наличие постоянно отрытого рабочего окна (щели), предназначенного для движения Рис. 2. Схема движения заготовок. За счет большой площади щели, обугазов в щелевой печи в словленной конструкцией печи, и низкого корежиме холостого хода эффициента диафрагмирования Фд (в исследуемых печах Фд=0,67) тепловые потери излучением составляют от 8,45 до 18,08% от расходной части теплового баланса в рабочем режиме.
4. Нагрев заготовок происходит со значительным отклонением от технологических инструкций. Отклонение по времени нагрева составляет от до 54% в сторону уменьшения. На основании экспериментальных данных, характеризующих температурное состояние прутка во времени, расчётным путём установлено, что окисление стали при нагреве достигает 1,6%, а глубина обезуглероживания 0,8 мм.
При расположении в печи только той части прутка, которая впоследствии будет подвергаться вальцовке температурная неравномерность по длине прутка, по теоретическим оценкам, достигает 362С. Фактически, по результатам исследований, для снижения температурной неравномерности по длине заготовки в печи нагревается большая часть прутка, чем предписывает технологическая инструкция. Для анализа приведенного обстоятельства было введено понятие потерь теплоты на нерациональный нагрев части прутка, не участвующей в технологическом процессе вальцовки (Qнагр, Вт). Установлено, что данный вид потерь составляет от 0,88 до 4,88% от расходной части теплового баланса в рабочем режиме. Конечная средняя температура нагрева конца прутка при этом составляет от 925 до 1200С.
В щелевых печах при нагреве концов прутков существуют потери теплоты теплопроводностью металла (Qтп, Вт), присущие только данному типу пламенных печей (рис. 3). Распределение теплового потока теплопроводностью получено расчётным путём на основании экспериментальных замеров температуры прутка 60 12(точки на соответст50 10вующей кривой).
40 8Определено, что потери теплоты тепло30 6проводностью ме20 4талла составляют от 10 22,16 до 4,69% от рас0 ходной части тепло0,0 0,3 0,6 0,9 1,2 1,5 1,вого баланса.
Расстояние от конца прутка, м Результаты Рис. 3. Распределение температуры поверхности расчетов мгновенных прутка и теплового потока теплопроводностью тепловых балансов шести печей, работающих в разных режимах нагрева, представлены в таблице. Особенностью исследуемых печей является работа в переменных режимах и значительная продолжительность холостого хода, которая составляет от до 80% от общего времени работы печи.
Тепловой баланс исследуемых щелевых печей в рабочем режиме Наименование статьи Значение Приход теплоты Химическое теплота топлива Qх, % 98,75-99,Теплота экзотермических реакций Qэкз, % 0,81-1,Приход теплоты Qi_прих., кВт 207,7-5Расход теплоты Теплота, необходимая для нагрева заготовки Qпол, % 7,77-13,Нагрев металла, не участвующего в технологическом 0,88-4,процессе, Qнагр, % Потери теплоты теплопроводностью металла Qтп, % 2,16-4,Теплота уходящих газов Qух, % 50,76-60,Теплота от химической неполноты сгорания Qхн, % 0-0,Потери теплоты теплопроводностью через кладку Qкл, % 6,38-13,Потери теплоты излучением через открытые окна 8,45-18,печи Qизл, % Потери теплоты с охлаждающей водой Qохл, % 1,05-2,Неучтенные потери Qнеуч, % 1,82-4,Расход теплоты Qi_расх., кВт 207,7-5КПТ печи, % 7,02-12,КИТ печи, % 38,87-48,Удельный расход теплоты, МДж/кг 4,56-6,Производительность печи, кг/ч 93,3-380,Температура, C Тепловой поток, кВт/м Отсутствие системы контроля за производственным процессом и плохая способность печей к термостатированию вынуждают персонал предприятия сжигать значительное количество природного газа для подержания в печи рабочих температур.
На основании проведенных исследований и имеющейся теоретической базы разработаны мероприятия и рекомендации, направленные на повышение качества нагрева металла и снижение удельного расхода топлива, которые должны быть учтены при строительстве новых или реконструкции существующих пламенных щелевых печей, работающих в условиях переменной производительности:
1. В малогабаритных печах наиболее рационально организовать отвод продуктов сгорания в нижней зоне печи (около нагреваемых заготовок), а зону теплогенерации - в верхней части печи. Указанному требованию лучше всего соответствуют печи со сводовым отоплением плоскопламенными горелками.
2. Для расширения диапазона производительности печи с сохранением высокого КПТ рабочее пространство предлагается разделить на две секции с установкой в каждой секции плоскопламенной горелки.
3. Снижение тепловых потерь теплопроводностью кладки рабочей камеры осуществить за счет внутренней рекуперации теплоты продуктов сгорания.
4. Снижение тепловых потерь излучением реализовать путём уменьшения коэффициента диафрагмирования загрузочного окна и изменения конструкции рабочей камеры.
5. Снижение тепловых потерь теплопроводностью металла осуществить за счет уменьшения температурного градиента между частью заготовки, находящейся в рабочей камере, и за её пределами. Это достигается нагревом части заготовки, расположенной в дымовом канале печи, уходящими продуктами сгорания, что также можно отнести к мероприятиям по утилизации теплоты продуктов сгорания.
Предложенные энергосберегающие мероприятия для реконструкции существующего парка топливных щелевых печей комплексно реализованы в спроектированной нагревательной щелевой печи (патент на полезную модель № 64330 РФ Нагревательная щелевая печь).
Таким образом, на основании проведённых экспериментальных исследований осуществлён анализ факторов, определяющих эффективность нагрева заготовок в щелевых печах с учётом реальных производственных условий.
Разработаны научно и экспериментально обоснованные подходы по улучшению конструкции щелевых печей и на их основе спроектирована энергосберегающая нагревательная щелевая печь.
В третьей главе исследован процесс нагрева металла в спроектированной печи на основе разработанной математической модели.
Объект моделирования - технология нагрева стального цилиндрического прутка в щелевой нагревательной печи. Предмет моделирования - тепловое состояние заготовки. Пруток последовательно проходит 2 зоны печи (габаритные размеры печи, м: 3,0х1,8х1,28), в каждой из которых установлена сводовая горелка марки ГР-85. Воздух в горелки подается после стального рекуператора типа термоблок с температурой tВ =200С. Регулирование горелок происходит независимым образом, что позволяет создавать в каждой зоне различный тепловой поток для нагрева заготовки. Продукты сгорания из секций печи направляются равномерно через фронт и боковые стороны в заднюю часть печи, где установлены два независимых дымоотводящих канала.
Моделирование нагрева заготовки в рабочей камере печи осуществлялось в двух зонах печи (секциях): AB и СD (рис. 4). Результирующий тепловой поток на металл в каждой секции определялся как функция температуры поверхности заготовки. Модель теплового состояния прутка (диаметром d, м) условно разделена на 3 участка (см. рис. 4, 5). Первая часть (длиной L1, м) находится в рабочей камере печи и нагревается результирующим тепловым потоком соответствующей секции, включающим тепловой поток излучением ( QИЗЛ1, Вт) и конвективный нагрев продуктами сгорания ( QПС1, Вт). Вторая часть заготовки (длиной L2, м) находится в области отвода продуктов сгорания и нагревается результирующим тепловым потоком из дымового канала соответствующей секции, включающим тепловой поток излучением ( QИЗЛ 2, Вт) и тепловой поток конвективного теплообмена с продуктами сгорания ( QПС 2, Вт). Третий участок (длиной L3, м) охлаждается за счет свободной конвекции ( QКОНВ3, Вт). Причём теплообмен свободной конвекцией для верхней и нижней частей заготовки описывается различными критериальными уравнениями. Между участками прутка (см. рис. 4, 5) существует теплообмен теплопроводностью ( QТП1, QТП 2, Вт).
Рис. 4. Разбиение плоскости печи и нагреваемой заготовки по различным условиям однозначности Рис. 5. Схема тепловых потоков в математической модели нагрева прутка в двухсекционной щелевой печи Температурное состояние заготовки в любой момент времени определяется на основании дифференциального уравнения нестационарного распределения поля температуры в цилиндре при ГУ (граничных условиях) II рода (лвнутренняя задача), которое решалось в программном комплексе FlowVision. Основным искомым параметром при решении внешней задачи являлся результирующий тепловой поток на металл, зависящий от температуры поверхности заготовки, который задавался в качестве ГУ II рода для решения внутренней задачи.
Поскольку теплообмен в печи происходит в системе трех тел: газЦ кладкаЦметалл, то для определения результирующих тепловых потоков на заготовку (1) и свод (2) использован метод сальдо-потоков с совместным решением уравнений теплового баланса печи на основании селективно-серой модели излучения газа. Согласно этой модели в пределах каждой полосы спектра поглощательная ( A ) и излучательная ( ) способности газового объема равны и не зависят от длины волны.
(1) qм tм qл tм,ф,GГ Gном qк tм,GГ, Г где qм - плотность результирующего теплового потока на заготовку, Вт/м2;
tм - температура металла, С; qл - плотность результирующего теплового потока излучением на заготовку, ф - средняя толщина факела (зоны теплогенерации), м; GГ - расход природного газа на горелку в секции печи, м3/ч;
Gном - номинальный расход природного газа на горелку в секции печи, м3/ч;
Г qк - тепловой поток конвекцией на заготовку, Вт/м2.
Действительная температура горения, температура свода печи и температура газов в рабочей камере определялись на основании решения уравнений теплового баланса, который составлялся как для каждой секции, так и для всей печи.
В соответствии с описанной моделью тепловой поток на свод печи определялся параметрами лучистого и конвективного теплообмена факела плоскопламенной горелки со сводом печи.
Результирующий тепловой поток на свод в печах КРН (2) при прочих равных условиях определяется толщиной факела (лучистая составляющая) и конвективной теплоотдачей продуктов сгорания к своду печи. Для большей универсальности и уточнения разработанной математической модели проведены дополнительные исследования влияния номинальной тепловой мощности горелки, относительной производительности горелки, удельной номинальной тепловой мощности камеры, температуры подогрева воздуха и температуры свода на параметры конвективного теплообмена и газодинамики факела плоскопламенных горелок марки ГР.
св (2) qсв qл ф ф GГ Gном tr1 tсв, Г св где qсв - плотность результирующего теплового потока на свод, Вт/м2; qл - плотность теплового потока излучением к своду печи, Вт/м2; tr1 - температура газа в зоне горения (теплогенерации), С; tсв - температура свода внутри печи, С.
Для определения коэффициента теплоотдачи от продуктов сгорания к своду печи был предложен алгоритм с использованием теории пограничного слоя и пристеночных функций, который был реализован на языке C++ в редакторе MS VisualC 6.0 и интегрирован в программный комплекс FlowVision.
Теплоотдача от продуктов сгорания к своду печи и газодинамика факела моделировались на различных марках горелок: ГР-85, ГР-175, ГР-750.
Температура свода последовательно задавалась от 700 до 1500С с шагом 100С. Размеры камер сгорания соответствовали удельной тепловой мощноном сти M =150 и 250 кВт/м2. Производительность горелок ( GГ, м3/ч) приниуд ном мала значения 25, 50, 75 и 100% от номинального значения по газу ( GГ, м3/ч). Температура подогрева воздуха составляла tВ = 20, 200 и 400С.
На основании статистической обработки экспериментальных данных (рис. 6), полученных в результате математического моделирования, определены зависимости, позволяющие рассчитать значения максимального коэфmax фициента теплоотдачи продуктов сгорания к своду печи ( ф ), средние значения коэффициентов теплоотдачи к своду печи ( ф ), относительное положение максимального значения коэффициента теплоотдачи к своду печи ( xmax d0 ) и среднюю толщину факела плоскопламенных горелок ( ф ). Относительное расстояние x d0 (см. рис. 6) определилось как отношение расстояния между осью горелки и точкой замера ( x, м) к выходному диаметру горелки ( d0, м).
0,114 0,2947 0,110,27ном ном (3) ф 0,1839 M GГ GГ Tв Nном уд Полученная эмпирическая зависимость (3) справедлива для факелов ном горелок марки ГР с номинальной тепловой мощностью N =100-850 кВт, ном температурой подогрева воздуха Tв =473-673 К, M =150-250 кВт/м2, уд ном GГ GГ =0,25-1,0 и tсв =700-1500С.
Для горелки ГР-85 в исследуемом диапазоне средний коэффициент теплоотдачи к своду печи определится по формуле:
0,1,ном (4) ф 2,9104 M 1,3GГ GГ 0,96 Tв.
уд 1100% 175% 100% 75% 50% 50% 25% 25% 7 6 5 4 3 Относительное расстояние от оси горелки x dРис. 6. Зависимость коэффициента теплоотдачи продуктов сгорания к своду печи от относительного расстояния от оси горелки при разных производительностях горелки ГР-175 (в процентах от номинальной).
ном tВ = 400С, M = 250 кВт/муд Полученные эмпирические формулы (3)-(4) интегрированы в математическую модель по определению тепловых потоков (1)-(2), что позволило повысить точность описания процессов теплообмена в печи и нагреваемых заготовках.
В результате с помощью разработанной математической модели определены тепловые потоки в рабочей камере и дымовом канале и получены температурные поля, характеризующие термическое состояние заготовки в каждый момент времени. Снижение потерь теплоты теплопроводностью в спроектированной печи можно проследить на рис. 7. Применение метода рекуперации теплоты продуктов сгорания и снижение температурного градиента при нагреве прутков позволило устранить потери теплоты на нагрев металла, не участвующего в технологическом процессе, а тепловые потери теплопроводностью металла сократить более чем в 2,5 раза.
Таким образом, разработанная математическая модель, в отличие от ранее известных моделей, позволила произвести учёт и анализ теплового поВт/(мград) Коэффициент теплоотдачи, тока теплопроводностью металла между участками прутка, которые нагреваются при различных, по числовому значению, ГУ. Впервые получены данные, позволяющие произвести анализ и определить коэффициент теплоотдачи продуктов сгорания к своду печи и толщину факела в зависимости от нескольких параметров: температуры воздуха горения, относительной производительности горелки, номинальной тепловой мощности горелки и удельной тепловой мощности камеры.
200 121 часть 2 часть 3 часть 101816420 0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,Расстояние от конца прутка, м Рис. 7. Распределение температуры в центре прутка диаметром 36 мм и теплового потока теплопроводностью в конце второй секции печи Проверка адекватности математической модели производилась путём сравнения расчётных (полученных на математической модели) и экспериментальных данных, опубликованных в научно-технической литературе, характеризующих газодинамику факела плоскопламенной горелки и теплообмен в камере со сводовым отоплением. Сравнению подвергались: распределения скоростей и температур в факеле плоскопламенной горелки, результирующий тепловой поток к нагреваемой поверхности. Относительная ошибка аппроксимации расчётных и экспериментальных данных составила: для скоростей газов в факеле - не более 3%, для температур газов в факеле - не более 4,6%, для теплового потока к нагреваемой поверхности - не более 4,2%.
В четвертой главе с использованием разработанной в III главе математической модели нагрева металла произведен анализ эффективности внедрения энерго- и ресурсосберегающих мероприятий в разработанной печи.
Сопоставление работы печи и нагрева металла с внедрением энергосберегающих мероприятий и без их внедрения произведено по 4 критериям: КПТ печи (включая анализ тепловых потерь), окисление металла, обезуглероживание металла, температурная неравномерность нагреваемой заготовки.
Применение системы рекуперации теплоты продуктов сгорания в разработанной печи позволило снизить тепловые потери теплопроводностью кладки в 2-5 раз.
Температура, С Тепловой поток, кВт/м Разделение рабочей камеры на две секции позволило расширить диапазон производительности печи по нагреваемым заготовкам до 6-100% от номинального значения. В условиях низкой производительности (при нагреве заготовок диаметром до 26 мм) в печи работает только вторая по ходу движения заготовки горелка. При сопоставлении этого режима с нагревом заготовок в печи без разделения на секции в последнем случае средняя температура рабочей камеры снижается на 8-15%, однако время пребывания заготовки при этой температуре увеличивается в два раза, что способствует увеличению глубины обезуглероживания стали на 10% и интенсификации окислительных процессов на 57%. Кроме того, растут тепловые потери теплопроводностью металла, т.к. заготовка находится большее время при высоких температурах.
Таким образом, при прочих равных условиях, нагрев заготовок в рабочей камере без разделения на секции снижает КПТ печи по сравнению с нагревом заготовок в одной секции.
Режимы нагрева заготовок диаметром более 28 мм могут быть реализованы только при нагреве в двух секциях печи, однако нагрев в рабочей камере без разделения на секции также снижает КПТ печи. Совмещение умеренного нагрева в первой секции и форсированного нагрева металла во второй секции позволяет в данной печи получить больший энерго- и ресурсосберегающий эффект, по сравнению с относительно умеренным нагревом во всей печи без разделения на секции.
Результаты расчетов показали, что во всех исследуемых режимах перепад температур по длине части прутка, участвующего в процессе вальцовки, составил от 91 до 178С при отсутствии потерь теплоты на нагрев части заготовки, не участвующей в технологическом процессе вальцовки. Для сопоставления - перепад температур по длине вальцовочного конца прутка без дополнительного нагрева продуктами сгорания в дымовом канале составил от 197 до 362С.
Расчёты энергопотребления печи в режиме холостого хода показали, что на поддержание рабочей температуры в спроектированной печи за счёт сокращения тепловых потерь потребуется примерно 50 кВт теплоты. В печи существующей конструкции, потребуется не менее 167 кВт теплоты.
Для определения рациональных энергосберегающих режимов нагрева заготовок были выполнены расчёты с использованием разработанной в III главе математической модели. В задачу определения энергосберегающих режимов работы входил расчет конечной температуры нагрева заготовки в первой секции, при котором КПТ печи принимал максимальное значение.
Расчеты показали, что общий КПТ печи увеличивается с уменьшением конечной температуры поверхности заготовки в первой секции. Таким образом, с целью уменьшения тепловых потерь рационально понижать температуру металла на выходе первой секции. Лимитирующим обстоятельством при этом является расход природного газа в горелках каждой секции. При снижении конечной температуры нагрева заготовки в первой секции уменьшается средняя температура печи, что снижает тепловые потери излучением через открытые окна печи, тепловые потери теплопроводностью кладки и потери теплоты с охлаждающей водой. Кроме того, снижение средней температуры в печи и сокращение времени пребывания заготовки при высокой температуре снижают потери металла с окислением и уменьшают глубину обезуглероженного слоя стали.
При нагреве концов заготовок диаметром от 19 до 36 мм с производительностью 150-180 прутков/ч до 950С удельный расход теплоты на нагрев составит не более 3,1 МДж/кг (КПТ печи не менее 19%).
Произведенная экономическая оценка реконструкции существующего печного парка на исследуемом предприятии показала, что ожидаемый эффект составит не менее 342 руб./т нагреваемого металла при сроке окупаемости лет 3 мес. Анализ производился из предположения, что печи работают только в рабочем режиме. При сохранении существующего режима работы печей с учётом холостого хода экономический эффект составит 1 503 тыс. руб./год при производительности 935 т/год, а срок окупаемости 1 год 2 мес.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. В результате исследований обнаружено, что в связи с производственными факторами щелевые печи от 14 до 80% времени работают в режиме холостого хода, что вызывает нерациональный расход природного газа. Выявлено, что для щелевых печей характерны высокие тепловые потери, прежде всего с уходящими продуктами сгорания и излучением, при этом КПТ не превышает 13%. Вследствие потерь теплоты теплопроводностью металла температурная неравномерность по длине нагреваемого конца прутка в исследуемых печах достигает более 350С, что понижает КПТ печи и ухудшает качество нагрева конца заготовки. Для снижения температурной неравномерности персонал предприятия вынужден осуществлять нерациональный нагрев части заготовки, не участвующей в технологическом процессе вальцовки, что вызывает перерасход топлива.
2. Проведенные аналитические и экспериментальные исследования позволили разработать новые научно обоснованные подходы конструирования энергосберегающих щелевых печей для нагрева прутковых заготовок, на основе которых спроектирована щелевая печь с диапазоном производительности по нагреваемым заготовкам 6-100% от номинального значения и снижение теплопотребления в режиме холостого хода до 50 кВт.
3. Разработана оригинальная математическая модель для расчета тепловых потоков в щелевой печи и температурных полей нагреваемой заготовки с учётом потерь тепла теплопроводностью металла. Исследования газодинамики и теплообмена факела плоскопламенной горелки на математической модели, реализованные в программном комплексе FlowVision, позволили вывести эмпирические зависимости для определения коэффициента теплоотдачи продуктов сгорания к своду печи и толщину факела плоскопламенной горелки в зависимости от нескольких параметров: температуры воздуха горения, относительной производительности горелки, номинальной тепловой мощности горелки и удельной тепловой мощности камеры. В результате разработанная математическая модель повысила точность расчёта тепловых потоков в печах КРН и времени нагрева заготовок.
4. Теоретическими исследованиями установлено, что в разработанной конструкции энергосберегающей щелевой печи потери теплоты теплопроводностью металла снижаются более чем в 2,5 раза. На выходе из печи повышается температурная равномерность концов прутков, потери металла с окислением снижаются до 0,3%, а глубина обезуглероживания стали - до 0,мм. На основе разработанной математической модели предложены рациональные энергосберегающие режимы работы печи при нагреве заготовок в одной и двух секциях, позволяющие за счёт интенсификации теплообмена снизить удельный расход топлива на нагрев металла в 2-4 раза.
5. Ожидаемый экономический эффект от внедрения разработанной конструкции печи составит не менее 342 руб./т нагреваемого металла (в ценах 2011 г.) при условии работы печи только в рабочем режиме. При сохранении существующего режима работы печей с учётом холостого хода экономический эффект составит 1 503 тыс. руб./год при производительности 935 т/год.
Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:
1. Иванов Д.А., Сеничкин Б.К. Разработка энергосберегающей печи для нагрева прутков с использованием природного газа // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: Двенадцатая Междунар. науч.-техн. конф.
студентов и аспирантов: Тез. докл. В 3 т. - М.: МЭИ, 2006. - Т. 2. - С. 4Ц 448.
2. Иванов Д.А., Сеничкин Б.К. Исследование работы нагревательных печей в условиях стохастической производительности // Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования, образование: сб. тр. Второй Междунар. науч.-техн. конф. Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности, Санкт-Петербург, 0709.02.2006 / под ред. А.П. Кудинова, Г.Г. Матвиенко, В.Ф. Самохина. - СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2006. - Т. 6. - С. 64 - 65.
3. Иванов Д.А., Сеничкин Б.К. Анализ тепловых потерь щелевых нагревательных печей // Молодые ученые - производству: сб. тр. регион. науч.практ. конференции. - Старый Оскол: СТИ МИСиС, 2006. - С. 192 Ц197.
4. Совершенствование малого печного хозяйства в России / Баймурзин Р., Лукьянов М., Иванов Д.А. и др. // Энергетики и металлурги настоящему и будущему России: материалы 7-й Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и специалистов / под общ. ред. Б.К. Сеничкина. - Магнитогорск: ГОУ ВПО МГТУ, 2006. - С. 108 - 109.
5. Иванов Д.А., Сеничкин Б.К. Экологические особенности работы щелевых печей // Проблемы теплоэнергетики: материалы Всерос. науч.-техн. конф.
студентов, аспирантов и молодых учёных / под ред. Е.В. Торопова. - Челябинск: Изд-во ЮУрГУ, 2007. - С. 65 - 68.
6. Иванов Д.А., Сеничкин Б.К. Аналитическое определение коэффициента теплоотдачи с помощью пристеночных функций // Энергетики и металлурги настоящему и будущему России: материалы 8-й Всерос. науч.практ. конф. студентов, аспирантов и специалистов / под общ. ред. Б.К.
Сеничкина. - Магнитогорск: ГОУ ВПО МГТУ, 2007. - С. 141 - 145.
7. Патент на полезную модель 64330 РФ. Нагревательная щелевая печь / Сеничкин Б.К., Коноплев А.Д., Иванов Д.А. Опубл. 27.06.2007, БИПМ № 18 - С. 879 - 880.
8. Иванов Д.А., Сеничкин Б.К. Результаты исследования тепловой работы щелевых печей // Изв. вуз. Черная металлургия. - 2007. - № 7. - С. 48 - 50. (Рекомендовано ВАК РФ) 9. Иванов Д.А., Сеничкин Б.К. Исследование режимов работы двухсекционной щелевой нагревательной печи // Энергетики и металлурги настоящему и будущему России: материалы 11-й Всерос. науч.-практ. конф.
студентов, аспирантов и специалистов / под общ. ред. Б.К. Сеничкина. - Магнитогорск: ГОУ ВПО МГТУ, 2010. - С. 169 - 170.
10. Иванов Д.А., Сеничкин Б.К. Особенности теплообмена и газодинамики факела плоскопламенных горелок // Теория и практика нагревательных печей в XXI веке: труды Всерос. науч.-практ. конф., 25Ц26 мая 2010 г. - Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2010. - С. 193 - 195.
11. Иванов Д.А., Сеничкин Б.К. Разработка энергосберегающих режимов нагрева заготовок в щелевой печи // Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии:
сборник материалов Всерос. студенческой олимпиады, научнопрактической конференции и выставки работ студентов, аспирантов и молодых ученых, 22-26 ноября 2010 г. - Екатеринбург: УрФУ, 2010. - С.
82-84.
12. Иванов Д.А., Сеничкин Б.К. Математическое моделирование нагрева заготовок в двухзонной щелевой печи // Теплотехника и информатика в образовании, науке и производстве: сб. докл. I Всерос. науч.-практ. конф.
студентов, аспирантов и молодых учёных (TIMТ2012) с международным участием, 29-30 марта 2012 г. / под ред. Н.А. Спирина. - Екатеринбург:
УрФУ, 2012. - С. 59 - 63.
13. Иванов Д.А., Сеничкин Б.К. Особенности газодинамики факела плоскопламенной горелки // Современные проблемы науки и образования. - 2012. - № 4. URL: www.science-education.ru/104-6890 (дата обращения:
17.08.2012). (Рекомендовано ВАК РФ) Подписано в печать 20.08.2012. Формат 60х84 1/16. Бумага тип №1.
Плоская печать. Усл. печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ 5455000, Магнитогорск, пр. Ленина, Полиграфический участок ФГБОУ ВПО МГТУ
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям