Совершенствование тепловых процессов с целью повышения качества обжига заготовок из углеродистых материалов

Материалы и изделия на основе углеграфитов находят все более широкое применение в промышленном производстве многих технически развитых стран. За последние годы значительно расширился их ассортимент и области применения. В настоящее время изделия из углеграфитовых материалов нашли применение в таких отраслях промышленности как металлургия, химия и нефтехимия, энергетика, машиностроение. Без таких материалов невозможно дальнейшее развитие атомной энергетики, электротехнической промышленности, самолето и ракетостроения.

Все виды применяемых в промышленности углеграфитовых материалов принято разделять на семь классов: 1) электродные изделия- 2) огнеупорные изделия- 3) химически стойкие изделия: 4) электроугольные изделия: 5) антифрикционные изделия 6) графити-рованные блоки и детали для атомной энергетики- 7) электродные массы [1].

Такое широкое применение материалов данного типа объясняется сочетанием достаточно уникальных физических (часто взаимоисключающих друг друга) и эксплуатационных свойств, присущих одному материалу — графиту. Структура графита такова, что материалы на его основе обладает анизотропией физических, теплофизических и механических свойств. В зависимости от способов обработки исходного материала и технологических приемов производства могут быть получены изделия с заранее заданными (в зависимости от назначения) свойствами.

Большинство графитовых материалов, встречающихся в природе, хотя и обладают необходимыми физическими свойствами, не отвечают требованиям потребителей (например, по размерам отдельных блоков, включениям инородных тел и т. д.) и поэтому не могут быть непосредственно использованы для изготовления большинства применяемых в промышленности изделий. В настоящее время практически все виды продукции, изготавливаемые из материалов на основе углеграфитов, представляют собой искусственные графиты [1,2].

Такие материалы обладают либо высокой, либо низкой электропроводностью и теплопроводностью, высокой химической и коррозионной стойкостью, высокой огнеупорностью, низким коэффициентом теплового расширения и стойкостью к резким сменам температуры, причем в очень широком диапазоне температур. Это позволяет применять данные материалы в нагревательных устройствах и в холодильных агрегатах. Они обладают высокой адсорбционной способностью, значительной прочностью и уникальными антифрикционными свойствами. С помощью механической обработки им может быть придана практически любая форма. Без материалов такого типа невозможно было бы развитие некоторых отраслей промышленности, таких, например, как атомная энергетика.

Основные технологические мероприятия по производству изделий на основе угле-графитов были разработаны и осуществлены в промышленных масштабах в восьмидесятых годах девятнадцатого столетия. Несмотря на то, что со времени их разработки прошло более ста лет, технологические приемы и их последовательность остались практически без изменения, хотя они и осуществляются на более современном оборудовании с применением более совершенной контрольно-измерительной и регулирующей аппаратуры [3]. Производство углеграфитовых изделий представляет собой длительный, многостадийный процесс, требующий существенных затрат энергии.

В настоящее время совершенствование существующих изделий и внедрение в производство новых материалов сдерживается как соображениями экономического порядка, так и техническими возможностями используемых в промышленности агрегатов. Поэтому совершенствование методов и способов изготовления углеграфитовых изделий является актуальной проблемой, имеющей большое практическое значение.

Следует также отметить, что производство углеграфитов связано с образованием значительного количества летучих веществ различного типа, выделяющихся в процессе тепловой обработки изделий. Эти продукты пиролиза являются не только опасными с экологической точки зрения, но и обладают значительными энергетическими возможностями. Поэтому разработка методов их утилизации также должна является одним из важнейших направлений совершенствования применяемых в производстве теплотехнических агрегатов.

С учетом вышеизложенного основной целью настоящей работы является развитие подхода к анализу тепловых процессов при производстве углеграфитовых изделий. Результаты такого анализа должны создать основы для совершенствования конструкций и тепловых режимов печей, применяемых в технологическом цикле получения изделий на основе углеграфитов с требуемыми свойствами.

выводы:

— в соответствии с классификацией печей теплообменников по лимитирующему звену процесса переноса тепла от ЗГТ к ЗТП печи для обжига углеграфитовых заготовок можно выделить в отдельную группу, а тепловой режим их работы может быть назван кондуктивным (или режимом теплопроводности);

— используемые в промышленности печи для обжига углеграфитовых заготовок имеют ограниченные возможности по обеспечению максимально допустимых перепадов температур по объему заготовок;

— в соответствии с положениями общей теорией тепловой работы печей выводы и рекомендации по модернизации конструкции печи и системы сжигания топлива, рекомендации по осуществлению температурных режимов обжига и способы их регулирования, разработанные для одной печи (в данной работе для топливной шахтной печи периодического действия) вполне справедливы для печей непрерывного действия (туннельных печей) и квазинепрерывного действия (камерных печей);

— при разработке математических моделей тепловых процессов в печах с кондуктивным режимом работы для описания процессов переноса тепла от ЗГТ к поверхности контейнера можно использовать упрощенные модели радиационно-конвективного теплообмена, модель представленная в данной работе может быть использована в качестве основы для описания тепловых процессов печах непрерывного и квазинепрерывного действия.

Математическая модель принята специалистами ФГУП «НИИграфит» для разработки технологических карт — инструкций по проведению процесса обжига заготовок на основе углеграфитов, а рекомендации по изменению ее конструкции приняты в качестве основы проекта по реконструкции топливной шахтной печи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Производство изделий на основе искусственных графитов представляет собой многостадийный процесс, в котором термическая обработка углеграфитовых заготовок занимает одно из наиболее важных мест. Термическая обработка включает в себя две последовательно проводимые операции — обжиг заготовок и их графитацию. Качество готовой продукции из искусственных графитов в значительной степени определяется условиями проведения процесса обжига, так как именно на этой стадии формируется основа кристаллической структуры заготовок. Структура и свойства углеграфитовых заготовок зависят от двух основных технологических факторов — скорости и равномерности их нагрева. Одной из особенностей осуществления процесса обжига углеграфитовых материалов является его проведение в специальных засыпках.

Анализ данных о тепловых процессах в промышленных печах для обжига углеграфитовых заготовок и полученные в работе экспериментальные данные показали, что равномерность и скорость нагрева заготовок в засыпных садках с заготовками определяются значениями теплового сопротивления засыпного слоя и внешнего теплового сопротивления. Расчет изменения отношения теплового сопротивления засыпного слоя и внешнего по отношению к засыпке теплового сопротивления показал, что на протяжении всего процесса обжига лимитирующим звеном теплопередачи от зоны генерации тепла (ЗГТ) к зоне (заготовкам) технологического процесса (ЗТП) является перенос тепла через засыпку.

Для исследования влияния различных технологических и конструктивных факторов на тепловые процессы в обжиговых печах использовали метод математического моделирования.

С целью получения данных для адаптации математической модели и проверке достоверности результатов вычислительных экспериментов в рамках данной работы было проведено обоснование выбора объекта экспериментального исследования и изучен процесс обжига углеграфитовых заготовок в шахтной топливной печи ФГУП «НИИграфит».

Математическая модель, представленная в настоящей работе, основана на решении задачи сопряженного теплообмена в рабочем пространстве шахтной печи для обжига углеграфитовых заготовок. Модель основана на решении уравнений радиационно — конвективного теплообмена в системе газ — футеровка — контейнер и уравнений теплопроводности для областей засыпки и заготовок в контейнере и кладки рабочей камеры печи. Она учитывает изменение теплофизических свойств материала заготовок, материала засыпки, материала футеровки в процессе нагрева, а также затраты тепла на эндотермические реакции, протекающие при обжиге.

Проведенные вычислительные эксперименты показали, что:

— применяемая на исследованной обжиговой печи система отопления не позволяет осуществить необходимый по технологии температурный режим обжига углеграфитовых заготовок без организации искусственного недожога топлива, а генерация тепла без недожога приведет к существенному увеличению времени процесса обжига и увеличению расхода топлива;

— рациональный режим тепловой работы обжиговых печей обусловлен способом размещения заготовок в засыпке;

— тепло, аккумулированное футеровкой рабочей камерой печи, может играть как положительную, так и отрицательную роль (способствовать исправлению ошибок ручного регулирования в течение начальных периодов обжига или препятствовать их исправлению в течение периодов ускоренного нагрева и выдержки).

Путем математического моделирования тепловых процессов в рабочей камере печи был решен ряд технологических задач обжига:

— определено оптимальное расположение заготовок в контейнере с засыпкой и разработан рациональный тепловой режим проведения их обжига;

— разработаны рекомендации по управлению тепловыми режимами обжига;

— проведена оценка погрешностей регулирования температурного режима обжига по косвенным данным;

— определены возможности исследованной печи по обеспечению минимальных перепадов температур по объему заготовок и разработаны рекомендации по модернизации конструкции печи и системы сжигания топлива.

Анализ полученных в работе результатов позволяет сделать следующие основные.