Исследование методов охлаждения садки колпаковой печи с помощью математического моделирования

водородной атмосферы и почти в 2 раза для условий преимущественно азотной

защитной атмосферы. Представленные данные характеризуют процесс охлаждения

до температуры 140-160 0С /2/.

Таблица 6

Сравнительные данные по охлаждению рулонов в колпаковых печах разных

фирм

|Фирма, |Способ охлаждения |Защит-н|Масса |Время |Произ-|

|предприятие| |ая |садки,|охлаж-|води-т|

| | |атмос-ф|т |дения,|ель-но|

| | |ера, | | |сть, |

| | |% | |ч |т/ч |

| | |Н2 |N2 | | | |

|Стальпроект|Выносные холодильники без |5 |95 |143,2 |91,9 |1,56 |

| |вен-тилятора | | | | | |

|КарМК, | | | | | | |

|(ЛПЦ-2) | | | | | | |

|Эбнер |Водовоздушное охлаждение |5 |95 |79 |29 |2,72 |

| |муфеля | | | | | |

|Эбнер, НЛМК|Водовоздушное охлаждение |25 |75 |96 |19 |5,1 |

| |муфеля; HICON/H2 | | | | | |

|LOI |Выносные холодильники с | - |100|110 |19 |5,6 |

| |дополнительными вентиляторами| | | | | |

С учетом положительного опыта КарМК по эксплуатации и техническому

обслуживанию выносных холодильников защитного газа, а также конструктивных

разработок ВНИИМТ (научно-исследовательский институт металлургической

теплотехники) по совершенствованию конвективного теплообмена в

высокотемпературных агрегатах было принято решение о разработке системы

принудительного охлаждения рулонов защитным газом с использованием

специального вентилятора в рециркуляционном контуре.

На рис.1 показана схема ускоренного охлаждения рулонов. Стенд 1, на

котором под муфелем 2 находятся рулоны 3, снабжен каналами 8 и 9 для отсоса

и подачи защитного газа в подмуфельное пространство. К этим каналам

подсоединяются модули охлаждения 10. Каждый модуль 10 включает в себя

циркуляционный вентилятор 11, газоводяной холодильник 12 с патрубками для

подвода и отвода воды 13, регулировочный шибер 14, байпасный шибер 15 и

отсечной шибер 16, служащие для регулирования газодинамического режима

работы устройства /3/.

Схема стенда колпаковой печи, оборудованной модулями ускоренного

охлаждения

[pic]

4 - песочный затвор; 5 - рабочее колесо; 6 - электродвигатель; 7 -

опорное конвекторное колесо; остальные обозначения - в тексте

Рис.1

Защитный газ из подмуфельного пространства через каналы 8 отсасывается

циркуляционным вентилятором 11, который подает газ через холодильник, где

он охлаждается за счет теплообмена с трубами, внутри которых циркулирует

вода. Охлажденный защитный газ через каналы 9 поступает в подмуфельное

пространство. После взаимодействия с охлаждаемой садкой нагретый газ вновь

поступает в модули охлаждения.

Разработанный модуль ускоренного охлаждения рулонов представляет собой

единый сварной корпус, в котором смонтированы циркуляционный вентилятор,

газоводяной холодильник, подводящие и отводящие короба. Корпус имеет

присоединительный фланец для установки его на стенде реконструированной для

этой цели колпаковой печи.

Газоводяной холодильник выполнен из труб коррозионно-стойкой

стали диаметром 25 мм. По газовой стороне холодильник установлен на выхлопе

циркуляционного вентилятора и имеет один рабочий ход. Теплообменная

поверхность трубчатки составляет 18 м2. Холодильник является съемным и при

необходимости может быть демонтирован из корпуса модуля.

Проект реконструкции стенда колпаковой печи был выполнен в Стальпроекте

и предусматривал установку двух модулей. Защитный газ из рабочего объема

печи подводится и отводится через систему канальных отверстий в районе

направляющего аппарате стендового вентилятора. Каналы в реконструированном

стенде выполнены таким образом, чтобы не нарушать аэродинамику в

подмуфельном пространстве и гарантировать отсутствие подсосов воздуха под

муфель через оставшийся без изменения песочный затвор стыка муфеля со

стендом /4/.

Охлаждающие модули были изготовлены во ВНИИМТ и прошли стендовые

аэродинамические испытания.

В процессе проведения промышленных исследований особое внимание

уделялось стабильности газового режима под муфелем печи. Более высокий

уровень влажности (до - 14 0С по температуре точки росы) в опыте

объясняется тем, что это был первый пуск охлаждающих модулей в

эксплуатацию, и тем, что модуль начал работу без предварительного запуска

вентилятора. Плавный запуск вентиляторов обеспечил влажность под модулем на

уровне - 20 0С. После 40 часов работы с начала охлаждения влажность

стабилизировалась на уровне - 30 0С. В итоге металл получили светлым,

подсосов воздуха в циркуляционный контур модулей в процессе их работы не

наблюдалось.

Производительность установки оказалась не ниже, чем на печах фирмы

«Эбнер» с водовоздушным охлаждением муфеля (табл. 7 ).

Таблица 7

Результаты опытно-промышленной эксплуатации установки ускоренного

охлаждения

|Масса |Масса |Профиль |Продолжите-|Производите|Время между|

|садки, |рулона, |полосы, мм |льность |-льность |отключением|

|т |т | |охлаждения |при |горелок и |

| | | |до 140 0С,|охлаждении |включением |

| | | |ч |до 140 0С, |установки, |

| | | | |т/ч |ч |

|148,0 |40,0 |0,8(1005 |40 |3,70 |15 |

|116,8 |31,0 |1,6(1015 |45 |2,57 |21 |

|159,0 |39,8 |0,8(1255 |46 |3,45 |19 |

|99,8 |33,3 |0,5(1005 |40 |2,49 |17 |

| 131,7 |34,5 |0,7(1005 |50 |2,63 |16 |

|99,7 |28,8 |0,7(1255 |33 |3,02 |13 |

|163,2 |40,8 |0,54(1025 |51 |3,20 |11 |

|120,2 |33,8 |0,5(985 |48 |2,50 |15 |

Сконструировали, изготовили и опробовали в промышленных условиях

установку ускоренного охлаждения стальных рулонов массой до 45 т в

колпаковых печах. Установка представляет собой спаренные выносные

газоводяные теплообменники со специальными вентиляторами в рециркуляционном

контуре защитного газа. Использование установки позволяет сократить

продолжительность охлаждения садки не менее, чем на 40 % (30 часов) и

получить производительность охлаждения не ниже, чем для водородных печей

фирмы «Эбнер» с водовоздушным охлаждением муфеля /5/.

Разработанные фирмой «Эбнер» (Австрия) в начале 70-х годов для цветной

металлургии и в конце 70-х годов нашедшие применение в стальной индустрии

колпаковые печи HICON/H2 R завоевали себе прочное место. К концу 1991 года

в выпускаемых фирмой «Эбнер» колпаковых печах HICON/H2 R отжигалось

примерно 6 млн. т/г холоднокатаной широкой полосы (материал глубокой

вытяжки, нормального качества и высшей прочности) и приблизительно 1 млн.

высокоуглеродистых и легированных сталей.

На газонепроницаемой фундаментальной плите смонтирован корпус стенда из

жаропрочной стали с теплоизоляцией (более 500 мм по высоте стенки),

заключенный в вогнутый металлический кожух, который даже после нескольких

лет работы в горячем режиме остается герметичным. Герметичное резиновое

кольцевое уплотнение охлаждается с двух сторон (стенда и фланца муфеля)

водой. Двигатель вентилятора также герметизирован при помощи

водоохлаждаемого колпака и круглого резинового уплотнения.

Для того, чтобы крыльчатку диаметром почти 1 м с числом оборотов 1500

привести в действие без вибрации (многолетняя разработка фирмы «Эбнер»),

вал вентилятора, подшипники и двигатель (55 кВт, 2 скорости вращения)

должны быть выполнены чрезвычайно устойчивыми, но несмотря на это расход

электроэнергии, благодаря очень легкому водороду (1/14 от плотности N2),

падает примерно до 6 кВт. Уже через 15 минут с начала нагрева (можно и

также в азотной среде) включать максимальное число оборотов и этим достичь

быстрого нагрева.

Охлаждение в установке HICON/H2 R осуществляется при помощи

комбинированного воздушно-водяного охлаждающего колпака, благодаря чему

достигается особо короткое время охлаждения и возможно использовать простой

фундамент без подвала.

Поскольку тангенциальное расположение высокоскоростных горелок с

ограничением температуры до 850 0С и высокая внутренняя конвекция водорода

не допускают перегрева муфеля, а полностью автоматизированный подвод к

муфелю вначале воздуха, а затем воды для охлаждения муфеля (при температуре

стенки муфеля около 200 0С) проводится щадящим образом, то срок службы

муфеля достигает примерно 500 циклов отжига.

При применении правильно выбранной жаропрочной легированной Cr-Ni стали

для изготовления определенных частей муфеля - в расчете на обычное качество

охлаждающей воды - не происходит как быстрого образования окалины, так и

появления трещин, возникающих в муфеле в результате напряжений.

Срок службы муфеля при режиме наружного охлаждения несколько

продолжительнее, однако при этом не возмещаются расходы на

капиталовложения, техническое обслуживание и производство. Дорогостоящая

наружная охладительная система должна быть смонтирована под каждым стендом

в дорогостоящем подвале, хотя на заключительное охлаждение используется

всего лишь 1/3 времени всего цикла отжига. Кроме того, из-за входного и

выходного отверстий в стенде металлический кожух, обеспечивающий

герметичность на продолжительный срок, невозможен. При выходе из строя

одного наружного охладителя блокируется весь стенд, в то время, как при

выходе из строя или замене одного муфеля производительность отжига ни в

коей мере не снижается.

Количество продувочного азота при помощи измерительной диафрагмы

контролируется на чистой стороне входа газа. Последующий подвод азота и

затем водорода согласовывается с процессом испарения остатков смазочных

материалов при постоянном контроле давления. При падении давления сразу же

осуществляется аварийная продувка азотом.

После контроля плотности в горячем состоянии в среде Н2 закрывается

выходной клапан водорода, снимается нагревательный колпак, устанавливается

охлаждающий колпак и начинается воздушное охлаждение. К началу водяного

обрызгивания возникает кратковременное (около 1 минуты) легкое

парообразование, которое никоим образом не может изменить общую влажность

воздуха в цехе (ниже допустимых пределов). После охлаждения сердцевины

рулонов до 160 0С или до 50 0С (дрессировочная температура) следует вторая

продувка азотом.

Вся система защиты колпаковой печи HICON/H2 R обеспечивается надежным при

рентгеноконтроле сварным резервуаром (муфель и двойной кожух стенда). Эта

система была опробована во всем мире компетентными организациями и

наилучшим образом оправдала себя в производстве.

В противоположность этому, в традиционных колпаковых печах испытание на

плотность в холодном состоянии невозможно (контактное уплотнительное кольцо

вала крыльчатки, резиновое кольцо круглого сечения охлаждается только с

одной стороны). Продувка азотом должны контролироваться газоанализаторами,

так как объем не четко определен (открытый стенд, наружное охлаждение).

Анализаторы должны быть подключены к содержащему масляные пары выходу

защитного газа, являются ненадежными и требуют постоянного технического

обслуживания.

Время выдержки на стенде, необходимое для получения материалов высшего

качества ((t=30 0С, (t=20 0С), равно 45-48 часам, что соответствует

производительности свыше 2 тонн в час, то есть вдвое больше, чем в

традиционной колпаковой печи с применением газа HNX, и это без перегрева

внешних витков. Таким образом, участок, состоящий из 10 стендов, отжигает в

месяц примерно 15000 тонн.

При охлаждении до температуры дрессировки время выдержки увеличивается

всего лишь на 10 часов, а производительность стенда при этом все еще

сохраняется в пределах 1,7 тонны в час. Дополнительные затраты выражаются в

виде двух добавочных стендов и двух охлаждающих колпаков. Но при этом

отпадает необходимость конечного охлаждения в местах с воздушным

охлаждением, которое зачастую длится 2-3 дня. К тому же исключается расходы

на дополнительный транспорт и опасность повреждения и коррозии.

Данные о расходе по сравнению с традиционными колпаковыми печами также

свидетельствуют о результативности данных печей: благодаря экономящему

энергию регулятору непрерывного действия, широко расставленным друг от

друга высокоскоростным горелкам, большому центральному рекуператору и

значительно сокращенному времени отжига расход природного газа, составляет

примерно 17 м3/ч. Условием для получения возможно более низких тепловых

потерь является газонепроницаемый вогнутый стенд с высокой степенью

изоляции, в которую не может проникнуть водород, несмотря на его хорошую

проницаемость.

На основании конвекции, проводимой наилучшим образом и получаемой за счет

оптимально выбранных входного и выходного диффузоров, высокой несущей

плиты, вогнутого герметичного стенда, вентилятора с большим диаметром

всасывания и мощным двигателем, позволяющего очень быстро набрать полное

число оборотов, и возможность продувки азотом во время нагревания и

конечного охлаждения без потери времени на простой, достигается наиболее

высокая производительность стенда, примерно на 20 % выше производительности

печной установки конкурента (то есть фирмы LOI).

Описанная конструкция установки и достигнутые при этом преимущества делают

объяснимым, почему система HICON/H2R завоевала прочное место в мире.

Имеющиеся в наличии многочисленные рекомендации от потребителей указывают

на то, что с появлением этой конструкции развилась новая технология

производства, которая утвердила себя наравне с методом непрерывного отжига

автолистовой стали, впервые запущенного в производство в Японии.

Еще одно изобретение, в котором ускорение процесса охлаждения достигается

тем, что поток охлаждающего воздуха делится на два, причем один движется

снизу, а другой - сверху до отсасывающих патрубков вентиляторов, которые

располагаются в районе от1/3 до 2/3 высоты муфеля /4/.

Заявленный способ реализуется в устройстве для охлаждения металла в

колпаковой печи, содержащем цилиндрический кожух, стойки и вентиляторы, в

котором с целью ускорения процесса охлаждения металла, кожух выполнен

открытым с обоих торцов, что обеспечивает получение открытых кольцевых

зазоров для забора воздуха из цеха и снизу, и сверху, а патрубки с

вентиляторами для удаления его из пространства между муфелем и кожухом

охлаждающего колпака установлены в области от 1/3 до 2/3 высоты муфеля.

Общий вид предлагаемого устройства для охлаждения садки колпаковой печи

представлен на рис. 2. Оно включает: общий коллектор, соединительный

фланец, опоры, направляющие, вертикальные стояки и гибкий шланг. Стояки

имеют круглые или щелевые отверстия, обращенные к охлаждаемой поверхности

муфеля. Общий коллектор имеет 1-2 ряда отверстий, также обращенных к

охлаждаемой поверхности. На общем коллекторе со стороны соединительного

фланца закреплены баки с водой, соединенные с коллектором эжектирующими

трубками. Общий коллектор соединен вертикально несущими и центрирующими

стояками с траверсой, на которой установлена проушина для крюка мостового

крана.

Колпак импульсного охлаждения муфеля.

[pic]

стенд; 2- воздушный коллектор; 3 - воздушные патрубки; 4- муфель; 5 -

питающая труба; 6- рулоны; 7- радиационно-конвективные кольца.

Рис.2

Данный способ реализуется также в устройстве, отличающимся от

вышезаявленного тем, что с целью обеспечения равномерного заполнения

движущимся воздухом кольцевого зазора между муфелем и кожухом колпака

охлаждения, на внутренней поверхности кожуха, обращенной к муфелю,

равномерно с разбивкой по окружности на интервалы 15-30 0 приварены ребра

высотой 1/3-2/3 величины зазора, причем начало и окончание ребра, которые

не доходят до уровня отверстий отводящих патрубков на расстояние 50-500 мм,

смещены относительно друг друга на 60-90 0.

Данный способ реализуется также в устройстве, отличающегося от

вышезаявленного тем, что с целью интенсификации теплообмена на внутренней

поверхности кожуха, обращенной к муфелю, устанавливается два ряда ребер -

нижний и верхний, расположенных симметрично по оси отверстий патрубков

вентиляторов один над другим на расстоянии и с промежутком 1/10 высоты

муфеля от верхнего и нижнего края колпака, каждое из которых выполнено из

двух отрезков, образующих между собой угол 120-150 0, причем длина

отрезков верхнего ряда в два раза меньше, чем нижнего, длина которого

составляет 0,5-0,7 длины 1/4 окружности муфеля.

Заявленный способ охлаждения металла в колпаковой печи заключается в том,

что поток охлаждающего воздуха делится на два, причем один движется снизу,

а другой - сверху до отсасывающих патрубков вентиляторов. Колпаковая печь

содержит стенд со встроенным циркуляционным вентилятором и направляющим

аппаратом, а также расположенный на стенде муфель, уплотненный песочным

затвором. Под муфелем установлены рулоны, разделенные по высоте

конвекторными кольцами. В период охлаждения на стенд устанавливается

специальное устройство, которое содержит кожух, стойки, устройство для

транспортировки. В кожухе выполнены два отверстия, к которым присоединены

патрубки. В последних расположены вентиляторы с электроприводом.

Данное устройство работает следующим образом. После окончания периода

нагрева и выдержки стопы рулонов в колпаковой печи нагревательный колпак

переносится на другой стенд, а вместо него с помощью крана за специальное

устройство сверху на стопу, закрытую муфелем, устанавливается устройство

охлаждения. Опоры располагаются на стенде. После фиксации кожуха на стенде

подключается к электропитанию приводы вентиляторов, которые начинают

просасывать холодный воздух из цеха через два кольцевых зазора сверху и

снизу кожуха.

Основные преимущества предлагаемой конструкции следующие. В два раза

уменьшается длина образующей муфеля, относительно которой движется воздух,

поэтому его температура в среднем ниже и коэффициент теплоотдачи от муфеля

выше и, следовательно, теплообмен в системе муфель-кожух более интенсивен.

Так как поток разбивается на два, то уменьшается количество воздуха,

проходящего через зазор между муфелем и кожухом и можно увеличить скорость,

не увеличивая потерь на гидравлическое сопротивление системы, то есть при

том же вентиляторе можно уменьшить зазор между муфелем и кожухом и

увеличить теплообмен за счет конвекции и теплопроводности газового зазора.

Вследствие того, что путь движения воздуха меньше, он не нагревается до

температуры муфеля, что имеет место в существующих колпаках воздушного

охлаждения, и в свою очередь не нагревает внутреннюю поверхность кожуха

охлаждающего устройства до температуры муфеля, что исключает возможность

образования двух параллельных поверхностей с одинаковой температурой, и

обеспечивает теплообмен излучением от муфеля к кожуху, что значительно

повышает скорость охлаждения садки. Высота расположения патрубков

вентиляторов выбирается в зависимости от садки и диаметра рулонов, таким

образом, чтобы температура воздуха, покидающего кольцевой зазор, не была

равной температуре муфеля, что имеет место в области от 1/3 до 2/3 высоты

муфеля. К достоинству данной конструкции охлаждающего устройства следует

также отнести и то, что нагретый воздух выбрасывается на большем расстоянии

от крановщиков, что улучшает условия их труда.

Рассмотрим развертку внутренней поверхности кожуха охлаждающего устройства,

обеспечивающего равномерное заполнение движущимся воздухом кольцевого

зазора. На внутренней поверхности кожуха приварены ребра высотой 1/3-2/3

величины зазора. Они расположены равномерно с разбивкой по окружности на

интервалы 15-30 0, причем начало и окончание каждого ребра смещены

относительно друг друга на 60-90 0, а окончание не доходит до уровня

отверстий отводящих патрубков на 50-500 мм.

Преимущества данного устройства заключаются в следующем. Воздух по

кольцевым зазорам движется не сразу к патрубкам, а вынужден более

равномерно заполнить кольцевой зазор, причем приваренные ребра удлиняют его

путь, что также приводит к улучшению процесса теплообмена между муфелем и

охлаждающем его воздухом.

Так же следует рассмотреть развертку внутренней поверхности кожуха

охлаждающего устройства, обеспечивающей интенсификацию теплообмена на его

поверхности. К поверхности кожуха сверху и снизу отводящих отверстий

приварены по два ряда ребер - верхний и нижний, расположенных симметрично

по оси отверстий патрубков один над другим на расстоянии друг от друга и от

края кожух равном 1/10 высоты муфеля. Каждое ребро состоит из двух

отрезков, образующих между собой угол 120-150 0, причем длина нижнего

отрезка составляет 0,5-0,7 длины 1/4 окружности муфеля, а отрезки верхнего

ряда в два раза короче.

Преимущество данного устройства заключается в том, что оно обеспечивает

турбулизацию воздушного потока внутри зазора между муфелем и кожухом, что

приводит к увеличению интенсивности теплообмена и ускорению процесса

охлаждения садки.

Указанные преимущества способа охлаждения металла в колпаковой печи и

устройств его реализующих позволят сократить длительность периода

охлаждения, повысить производительность одного стенда, сократить расход

электроэнергии и защитного газа.

Изучение и анализ информации источников позволяет сделать вывод о

возможности ускорения процесса охлаждения садки с небольшими

конструктивными изменениями - является целесообразным изучить возможность

охлаждения садки эжекторным воздухом, который в период охлаждения не

используется на данном стенде.

Этот метод был опробован на трехстопной колпаковой печи в ЛПЦ-5 ММК. Схема

трехстопной колпаковой печи приведена на рис. 3.

Схема струйного охлаждения садки трехстопной колпаковой печи

[pic]

Рис. 3

Использование упрощенного устройства струйного охлаждения при отжиге с

обычными конвективными кольцами (КК) длительность периода охлаждения

сократилась с 53,8 до 45,7 часов (12,3 %), а при охлаждении садки, в

которой одно нижнее конвекторное кольцо заменено РКК, длительность

охлаждения понизилась с 48,7 до 41,3 часов (18,38 %).

Применение РКК (радиационно-конвективных колец) привело к значительному

выравниванию перепада температур по садке: он уменьшился с 55 0С до 40 0С,

что обеспечивает лучшую равномерность механических свойств готовой жести.

На рис. 4 представлены результаты изучения эффекта от использования

упрощенного устройства колпака струйного охлаждения (КСО) и радиационно-

конвективных колец (РКК).

Указанные результаты достигаются вследствие следующих новых технических

решений:

Радиационно-конвективных конвекторных колей новой конструкции.

Системы струйной обдувки муфеля.

Результаты экспериментального исследования КСО и РКК

[pic]

[pic]

1 - длительность охлаждения tохл=180 0С ; 2 - длительность охлаждения

tн=580 0С;

3 - длительность охлаждения tв=660 0С.

Рис. 4

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Методика исследований

Современные исследования тепловых агрегатов напрямую связаны с

использованием математических моделей. Это объясняется сложностью и

нестабильностью процессов, происходящих в печах. Математическая модель,

если она достаточно адекватно описывает поставленную задачу, позволяет

исследователю проанализировать влияние различных факторов на те или иные

параметры, получить достоверные денные, на основании которых можно сделать

выводы и в конечном итоге дать конкретные рекомендации.

Это существенно ускоряет и удешевляет процесс исследования, а в ряде

случаев позволяет изучить процессы, ранее недоступные. Для исследования

процессов теплообмена в колпаковых печах создана математическая модель,

включающая в себя ряд уравнений с граничными условиями, описывающих эти

процессы с определенными допущениями. Корректность математической модели

определяется обоснованностью принятых при ее разработке допущений и

правильностью ее адаптации к реальным условиям. В задачу данной работы и

входит выполнение процесса привязки модели к конкретным условиям работы

относительно АО «ММК».

2.1.1. Описание исследуемого объекта.

Используемая в дипломной работе математическая модель тепловой работы

колпаковой печи была разработана на кафедре ТЭМП Московского

государственного института стали и сплавов (Технологического университета)

профессором кафедры Мастрюковым Б.С. и доцентом Гусевым Е.В. и опробована в

условиях КарМК (Карагандинского металлургического комбината)./ /

Цель данной работы: выявить возможность применения данной модели к условиям

работы Магнитогорского металлургического комбината, в частности, ЛПЦ-5.

При разработке математической модели колпаковой печи приняты следующие

допущения:

Все температурные поля в печи имеют осевую симметрию.

Температурное поле рулонов принято двухмерным.

Температурное поле футеровки рассчитывается как температурное поле пластины

и является одномерным.

Муфель является термически тонким телом.

Излучение и отражение поверхностных зон внешнего контура является

изотропным.

Излучение и поглощение внутренней поверхности футеровки колпака и наружной

поверхности муфеля не является селективной, то есть ((f(().

Защитный газ лучепрозрачен.

Топливовоздушная смесь сгорает мгновенно и пространство между колпаком и

муфелем заполнено продуктами сгорания.

Условные замыкающиеся поверхности.

Математическая модель включает в себя уравнения теплового баланса элементов

печи, а также уравнения теплообмена и теплопередачи с соответствующими

граничными условиями. В данной модели принят зональный метод расчета, при

котором все рабочее пространство печи разбивается на зоны. В пределах

каждой зоны температура и теплофизические параметры остаются постоянными.

Цикл термообработки в колпаковых печах состоит из нагрева, выдержки и

охлаждения. Теплообмен печи во всех трех периодах описывается одними и теми

же уравнениями, только для периода охлаждения, когда снимают колпак, расчет

теплообмена во внешнем контуре заменяется расчетом теплообмена с окружающей

средой.

Во внутреннем контуре теплоперенос осуществляется излучением от муфеля к

рулонам, а также конвекцией к защитному газу и от защитного газа к рулонам.

Таким образом, в математическую модель теплообмена в этом контуре вошли

уравнения теплопереноса теплопроводностью в рулоне, уравнения переноса

тепла излучением в лучепрозрачной среде, а также уравнения теплового

баланса защитного газа.

Математическая модель позволяет определять температурные поля садки,

футеровки, муфеля, а также температуры продуктов сгорания и защитного газа

в зависимости от изменения различных режимных параметров, как то: расход

топлива, его калорийность, массивность садки и прочее. Кроме того, в модель

входит блок управления печью с помощью которого можно задавать различные

расходы газа на нагреве и выдержке, изменять вид регулирования как в период

нагрева, так и в период выдержки.

В начальный момент времени имеются все температурные поля элементов печи:

футеровки, муфеля, садки, защитного газа.

Рассчитываем геометрические угловые коэффициенты излучения в наружном и во

внутреннем контурах теплообмена.

Производим расчет горения газа.

Рассчитываем теплообмен в наружном контуре:

По известным температурам продуктов сгорания находим скорость их движения в

пространстве между муфелем и колпаком.

Рассчитываем коэффициенты теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к

муфелю и футеровке, а также от наружной поверхности колпака в окружающую

среду.

Вычисляем радиационные характеристики продуктов сгорания Апс и (пс.

Рассчитываем и нормируем матрицы обобщенных и обобщенных разрешающих

коэффициентов излучения.

По формулам:

[pic][pic],

(1)[pic][pic]

где m - количество расчетных зон, принимающих участие

в теплообмене излучением с зоной «i»;

(к - степень черноты зоны «к»;

Тк - температура зоны «к»;

(i, k - обобщенный разрешающий угловой коэффициент

и

[pic],[pic]

(2)

где (0 - постоянная Стефана-Больцмана;

А1 - поглощательная способность зоны «i»;

(0 = 5,67 * 10-8 Вт/м2К4;

находим коэффициенты теплоотдачи излучением и яркостные температуры для

всех расчетных зон контура.

Расчет температур продуктов сгорания на новом временном шаге производим при

помощи теплового баланса.

Решая дифференциальное уравнение теплопроводности для каждой расчетной зоны

футеровки колпака, находим температурное поле кладки на последующем шаге по

времени.

На выходе из расчета теплообмена в наружном контуре имеем новые значения

температур футеровки и продуктов сгорания, а также коэффициенты теплоотдачи

излучением и конвекцией и яркостные температуры для расчетных зон на

наружной поверхности муфеля.

Рассчитываем теплообмен во внутреннем контуре:

По известным температурам муфеля и рулонов находим степени черноты и

поглощательные способности для всех поверхностных расчетных зон контура.

Рассчитываем и нормируем матрицу угловых коэффициентов излучения.

Вычисляем коэффициенты теплоотдачи излучением и конвекцией, а также

яркостные температуры для всех расчетных зон контура.

Рассчитываем тепловой баланс защитного газа на всех участках его циркуляции

и находим температуры объемных зон.

Решая уравнение теплопроводности для рулонов, находим температурное поле

садки на последующем шаге по времени.

Из теплового баланса дисков конвекторного кольца получаем их температуры на

новом шаге по времени.

В результате расчета теплообмена во внутреннем контуре получаем температуры

рулонов и защитного газа на последующем шаге по времени, а также

коэффициенты теплоотдачи конвекцией и излучением и яркостные температуры

для расчетных зон на внутренней поверхности муфеля.

Находим температуру муфеля на новом шаге по времени путем расчета его

теплового баланса.

По формулам

[pic],

(3)

где Тф - температура футеровки, К;

Тпс - температура продуктов сгорания, К;

Тм - температура муфеля, К;

а1, а2, а3 - эмпирические коэффициенты;

и

[pic]

(4)

где Тр - температура боковой поверхности

нижнего рулона, К;

Тэг - температура защитного газа на выходе из

диффузора направляющего аппарата

стенда, К;

в1, в2, в3, в4 - эмпирические коэффициенты;

(м(мсм(Тм)(((Тм/(()=(лс(Тпс-Тм)+(зг(Тзг-Тм)+(изл.,внут.((Тизл.,внут.-

Тм)+(изл.,нар.((Тизл.,нар.-Тм) (5)

Проверяем условие:

[pic],

(6)

где В - расход топлива, м3/с;

Тст - температура стендовой термопары,

К;

Тзт - температура зональной термопары,

К;

Тзадст , Тзадзт - задание по стендовой и зональной

термопары,

и определяем расход топлива на новом шаге по времени:

Если расход топлива изменился по сравнению с предыдущим шагом по времени,

то продолжаем расчет с п.3, если нет - с п.4.

Окончание расчета - по достижении заданного времени отжига. Технологический

режим ведется путем установления закона изменения во времени заданий

зональной и стендовой термопар:

Тзадст=f(() и Тзадзон=f(().

Данная математическая модель, как указывалось выше, была адаптирована для

КП КарМК в данном исследовании проведена адаптация к условиям работы КП ЛПЦ-

5 ММК.

Адаптация математической модели тепловой работы колпаковой печи

При адаптации математической модели к условиям ЛПЦ-5 ММК были приняты

следующие значения основных параметров, влияющих на длительность и качество

отжига в колпаковой печи. Эти значения приведены в табл. 8 -17.

Таблица 8

Данные по конструкции печи

|Колпак |Муфель |Внутренний |

|Высота от |Внутренний |Высота от |Толщина, |Внутренний |радиус |

|стенда, мм |радиус, мм |стенда, мм |мм |радиус, мм |рулонов, мм|

|5735 |1605 |5400 |0.800 |1150 |800 |

Таблица 9

Футеровка колпака

|Толщина свода печи, |Толщина боковых стен, |Толщина горелочного |

|мм |мм |пояса, мм |

|130 |135 |230 |

Таблица 10

Циркуляция в колпаковой печи

|Производительность ЦВ, тыс. |Время |Время |Объем |

|м3/ч | | | |

|продувка |отжиг |продувки N2, ч|продувки Н2, ч|продувки, N2, |

| | | | |м3/ч |

|14,000 |12,000 |2,000 |2,000 |23,000 |

Таблица 11

Отопление в колпаковой печи

|Максимум |Минимум |Температура |

|Расход газа, |Коэффициент |Расход газа, |Коэффициент |подогрева |

|м3/ч |расхода |м3/ч |расхода |воздуха, 0С |

| |воздуха | |воздуха | |

|144,000 |1,100 |20,000 |1,300 |20 |

Таблица 12

Холодильники в колпаковой печи

|Площадь |Средний |Температура |Расход |Место выдачи |

|поверхности |коэффициент |охлаждающей |охлаждающей |газа из |

|теплообмена, |теплопередачи,|воды, |воды, |холодильника |

|м2 | |0С |м3/с | |

| |Вт/(м2К) | | | |

|55,000 |20,000 |20,000 |1,800 |к муфелю |

Таблица 13

Состав природного газа, %

|СО2 |N2 |H2O |CO |H2 |H2S |CH4 |C2H6|C3H8|C4H1|C5H1|O2 |C2H2|

| | | | | | | | | |0 |2 | | |

|0,00|2,00|0,00|0,00|0,00|0,00|97,6|0,40|0,00|0,00|0,00|0,00|0,00|

|0 |0 |0 |0 |0 |0 | |0 |0 |0 |0 |0 |0 |

Таблица 14

Режим отжига в колпаковой печи

|Началь|Первая |Скорос|Вторая |Услови|Темпер|Время |Темпер|

|ный |выдержка |ть |выдержка |я |а-тура|просто|атура |

|период| |подъем| |оконча|оконча|я под |распак|

|(задан| |а на | |ния |ния |горячи|овки |

|ие): | |вторую| |отжига|отжига|м | |

|колпак| |ступен| |, | |колпак| |

| | |ь, | |время |(по |ом | |

| | |0С/час| |или |холодн| | |

| | | | |темпер|ой | | |

| | | | |а-тура|точке)| | |

| | | | |холодн| | | |

| | | | |ой | | | |

| | | | |точки | | | |

| |продол|темпер| |продол|темпер| | | | |

| |жи-тел|а-тура| |жи-тел|а-тура| | | | |

| |ьность|, | |ьность|, | | | | |

| |, час |0С | |, час |0С | | | | |

|870,00|6,00 |580,00|70,00 |10,00 |650,00|что |690,00|2,00 |150,00|

| | | | | | |быстре| | | |

| | | | | | |е | | | |

Таблица 15

Начальные условия и параметры расчета для отжига

|Начальные условия |Параметры расчета (настройка) |

|Температура |Температура |Шаг по времени|Пирометри- |Степень |

|колпака, 0С |рулона, 0С | |ческий |черноты торца |

| | | |коэффициент |верхнего |

| | | | |рулона |

|400,000 |60,000 |300,000 |0,650 |0,990 |

Изменением настроечных коэффициентов (табл. 16), было обеспечено

соответствие реального и расчетного режима отжига в колпаковых печах ЛПЦ-5,

причем длительность нагрева и выдержки составляет 128 часов, а охлаждения -

63 часа.

Таблица 16

Настроечные коэффициенты

|Коэффициент |Коэффициент |Тст |Тк |

|контакта газа с |заполнения витков в|А(Тмуф+В(Тр+С(|А(Тколп+В(Тмуф+С(Тп|

|торцом рулона |рулоне |Тзг |с |

|100 |300 |500 |700 |100 |300 |500 |700 |А |В |С |А |В |С |К |

|0С |0С |0С |0С |0С |0С |0С |0С | | | | | | | |

|1,30|1,40|1,50|1,60|0,00|0,00|0,00|0,00|0,05|0,05|0,90|0,10|0,80|0,10|0,70|

|0 |0 |0 |0 |2 |2 |2 |2 |0 |0 |0 |0 |0 |0 |0 |

Таблица 17

Сведения о садки колпаковой печи (4 рулона)

|Толщина |Ширина |Плотность|Вес |Наружный |Тип |Доля |

|полосы, |полосы, |смотки, |рулона, |радиус |конвектор|защитного|

|мм |высота |% |т |рулона, |-ного |газа, |

| |рулона, | | |мм |кольца |проходя-щ|

| |мм | | | | |его в |

| | | | | | |кольцо, %|

|1 |2 |3 |4 |5 |6 |7 |

|1,500 |1250 |0,97 |23,000 |975 |Серийные |30,000 |

|1,500 |1250 |0,97 |23,000 |975 |Серийные |30,000 |

|1,500 |1250 |0,97 |23,000 |975 |Серийные |20,000 |

|1,500 |1250 |0,975 |23,000 |975 |Серийные |15,000 |

На рис. 5 приведены кривые изменения коэффициента теплообмена к воздуху -

(. Начальное значение этого коэффициента равно 50, дальнейшее его изменение

приведет к сокращению процесса охлаждения. Чтобы достичь изменения скорости

процесса охлаждения рулонов под муфелем на 25 %, величина коэффициента (

должна равняться 82,53. Также на рис. 5 приведены кривые охлаждения, при

которых коэффициент теплообмена к воздуху соответственно равен 75 и 100.

Влияние коэффициента теплообмена к воздуху - ( на скорость охлаждения садки

колпаковой печи

[pic]

(=50 Вт /(м2(К), 2. (=75 Вт /(м2(К), 3. (=82.53 Вт /(м2(К), 4. (=100 Вт

/(м2(К)

Рис. 5

БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Анализ потенциально опасных и вредных факторов, сопутствующих работе с

компьютером

В данном разделе проводится анализ потенциально опасных и вредных

производственных факторов, сопутствующих работе с персональным компьютером.

Анализ условий труда имеет основное значение для разработки мероприятий,

обеспечивающих защиту работающих от опасных и вредных производственных

факторов.

Результаты анализа потенциально опасных и вредных производственных факторов

представлены в табл. 18, в соответствии с ГОСТ 12.0.003-74 /7/.

Таблица 18

Потенциально опасные и вредные факторы

|Наименование |Используемое |Опасные и вредные |

|операции |оборудование |факторы |

|1 |2 |3 |

Страницы: 1, 2, 3