Исследование технологии нагрева медных и латунных слябов в проходных печах, оборудованных скоростными горелками

Экономическое развитие страны во многом зависит от уровня промышленности, который определяется наличием в каждой отрасли современного оборудования и технологий. Одним из важнейших показателей работы, которым должно обладать то или иное производство, является его энергетические затраты на единицу выпускаемой продукции.

В экономически развитых странах появляются технологии, позволяющие резко снизить потребление топливно-энергетических ресурсов. В новых экономических отношениях в нашей стране для повышения конкурентоспособности товаров на мировом рынке, острой стала проблема перехода от старых энергоемких производств к новым, менее затратным.

Часто усовершенствовать всю цепочку какого-либо производства не представляется возможным из-за причин, в основном, связанных с отсутствием необходимого объема средств. Поэтому в настоящее время приходится заниматься реконструкцией или переоборудованием отдельных звеньев производственной цепи.

Перед металлургической промышленностью проблема снижения топливно-энергетических затрат на производство продукции обостряется наличием не только большого количества разнообразного оборудования, но и устаревших технологий.

Основными направлениями при модернизации промышленных печей являются:

— замена кирпичной футеровки на футеровку с использованием керамоволокнистых материалов;

— внедрение скоростных горелок, в т. ч. рекуперативных и регенеративных;

— внедрение многоуровневых автоматизированных систем управления технологическими процессами (АСУ ТП) на базе микропроцессорной техники и экспертных систем.

Замена футеровки печи и внедрение комплексной АСУ ТП практически не приводят к изменениям условий теплообмена в рабочем пространстве печи, а вот внедрение скоростных горелок приводит к увеличению скоростей движения газов, а, следовательно, к интенсификации конвективного теплообмена. Но исследование влияния увеличения скорости движения газов за счет внедрения современных скоростных горелок на величину конвективного теплообмена в условиях реального производства до сих проведено не было.

Данная диссертация посвящена изучению процессов теплообмена и газодинамики непосредственно в рабочем пространстве проходной нагревательной печи, оснащенной скоростными рекуперативными горелками, в условиях непрерывного производства металлической продукции.

Актуальность работы. Металлургические и машиностроительные заводы в своей структуре имеют большое число прокатных и кузнечно-прессовых цехов, в которых эксплуатируется огромный парк нагревательных и термических печей, осуществляющих сложные технологии нагрева металлической продукции, как под пластическую деформацию, так и для придания изделиям необходимых физико-механических свойств.

На заводах России печи этого класса исчисляются тысячами. Но спроектированные и построенные в 40-х.70-х годах прошлого столетия нагревательные и термические печи морально и физически устарели и не соответствуют в большинстве случаев современным требованиям технологии нагрева, качества продукции и экономии топлива.

Поэтому одним из наиболее актуальных направлений совершенствования технологического режима нагрева металла является модернизация печного парка заводов, основной эффект которой достигается за счет внедрения современных скоростных рекуперативных горелок.

Применение скоростных горелок позволяет интенсифицировать конвективный теплообмен, исследованием которого активно занимались: Михеев М. А., Кирпичев М. В., Зобнин Б. Ф., Жукаускас A.A., Тимофеев В. Н., Арсеев A.B., Казяев М. Д. и др. Исследования упомянутых авторов в большинстве своем направлены на изучение закономерностей конвективного теплообмена в котельных установках и в печах с горелками простой конструкции. Основная часть исследований выполнялась на стендах и лабораторных установках. В современных печах, оснащенных скоростными автоматизированными горелками, роль конвективного теплообмена изучена слабо. Актуальность данной работы заключается в том, что в ней представлены результаты исследования конвективного теплообмена в проходной печи, оснащенной скоростными рекуперативными горелками, в условиях действующего производства, а также определены пути интенсификации конвективного теплообмена для повышения производительности печи и снижения энергозатрат при нагреве металлов.

Связь работы с крупными научными программами. Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры России» по теме: «Проведение научных исследований коллективами научно-образовательных центров в области металлургических технологий» (Государственный контракт № 02.740.11.0152).

Целью диссертационной работы является установление соотношения лучистого и конвективного теплообмена в проходных нагревательных печах, оснащенных скоростными горелками, на основе промышленного эксперимента для совершенствования методов расчета при конструировании печей.

Для достижения поставленной цели выделены следующие задачи:

1. Разработать методику проведения промышленного эксперимента на проходной нагревательной печи.

2. Провести промышленный эксперимент с определением параметров тепловой работы печи на базе балансовых исследований.

3. Выполнить компьютерное моделирование газодинамики в рабочем пространстве исследуемой печи, с целью выявления влияния режима движения газов на теплообмен.

4. Вывести аппроксимирующую зависимость для определения коэффициентов конвективного теплообмена в подобных печах.

5. Усовершенствовать конструкцию печи для повышения ее энергоэффективности и производительности.

Объект исследования — проходная печь для нагрева медных и латунных слябов, оснащенная скоростными рекуперативными горелками.

Предмет исследования — конвективный теплообмен в условиях повышенных скоростей движения продуктов горения в рабочем пространстве печи.

Методы исследования. Для достижения поставленной цели разработана методика проведения промышленного эксперимента, включающая в себя алгоритм обработки данных, полученных в ходе исследований. Промышленный эксперимент выполнен на проходной нагревательной печи ОАО «Кировский завод по обработке цветных металлов» г. Киров, в условиях действующего производства. Измерения осуществляли современными стационарными и переносными приборами, прошедшими государственную поверку, что определило достоверность полученных результатов. При обработке экспериментальных данных использован расчетно-теоретический анализ, основу которого составили положения теории теплои массообмена, теории металлургических процессов и методы математической статистики, при этом противоречий известным физическим положениям установлено не было.

Научная новизна результатов работы.

1. Разработана методика проведения промышленного эксперимента на проходной печи при нагреве медных и латунных слябов в условиях различных технологических режимов.

2. Проведен промышленный эксперимент на исследуемой печи, в ходе которого получены данные о лучистом и конвективном теплообмене при нагреве слябов скоростными рекуперативными горелками, работающими в импульсном режиме.

3. Выполнена обработка экспериментальных данных, позволившая выявить соотношение лучистой и конвективной составляющих внешнего теплообмена при рабочей температуре до 1000 °C.

4. Установлена аппроксимирующая зависимость для расчета коэффициентов конвективного теплообмена с учетом кратности циркуляции газов в рабочем пространстве печи.

5. При помощи компьютерного моделирования газодинамики рабочего пространства исследуемой печи определены направления дальнейшей интенсификации конвективного теплообмена для печей подобной конструкции.

Практическая значимость работы.

1. Определено влияние импульсного режима работы скоростных рекуперативных горелок на величину конвективного теплообмена.

2. Усовершенствована методика расчета тепловой работы печи с использованием выведенной аппроксимирующей зависимости, позволяющей рассчитывать конвективный теплообмен.

3. Определены направления по дальнейшему совершенствованию конструкции проходных печей с боковой системой отопления для повышения производительности печи и снижения энергозатрат при нагреве металла под пластическую деформацию.

Личный вклад автора. Личный вклад автора работы заключается в постановке цели и задач исследования, разработке его методологии, в личном участии при проведении промышленного эксперимента, в обработке экспериментальных данных и разработке основ научного обоснования применения скоростных рекуперативных горелок для интенсификации конвективного теплообмена и в целом тепловой работы печи.

Автор защищает:

1. Методику промышленного эксперимента.

2. Результаты исследований теплообмена в проходной печи при нагреве медных и латунных слябов скоростными рекуперативными горелками.

3. Аппроксимирующую зависимость для определения параметров конвективного теплообмена.

4. Результат энергосбережения при интенсификации конвективного теплообмена.

Реализация результатов. Рекомендации по дальнейшей интенсификации конвективного теплообмена за счет рационализации геометрии рабочего пространства проходной печи представлены в ОАО «Кировский завод по обработке цветных металлов». Результаты исследований конвективного и теплообмена использованы ООО «НПК «УралТермоКомплекс» при выполнении предпроектной проработки новой конструкции нагревательной печи с шагающим подом для ОАО «Кировский завод по обработке цветных металлов».

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на международной научно-практической конференции «Творческое наследие Б.И.Китаева», УГТУ-УПИ (г.Екатеринбург, 2009 г.) и на научно-технической конференции «Теория и практика нагревательных печей в XXI веке» (г.Екатеринбург, 2010 г.).

Публикации. Основное содержание диссертационной работы изложено в И научных статьях, из них 3 опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК:

1. Комплексная модернизация нагревательных печей / Вохмяков A.M. [и др.] //Известия ВУЗов. Черная металлургия, 2009, № 12. — С 56 — 59.

2. Модернизация проходной печи для нагрева медных слябов под пластическую деформацию / Вохмяков A.M. [и др.] // Цветные металлы, 2011, № 4.-С. 85−89.

3. Вохмяков A.M. Исследование конвективного теплообмена в проходной печи, оснащенной скоростными горелками / А. М. Вохмяков, М. Д. Казяев, Д. М. Казяев // Цветные металлы, 2011, № 12. — С. 89−93.

4. Вохмяков A.M., Казяев М. Д., Лавров В. В. Совершенствование температурного режима секционной закалочной печи «Северского трубного завода» / Материалы Всероссийской студенческой олимпиады, научно-практической конференции и выставки студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергои ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии». — Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2007. — С. 55 — 59.

5. Вохмяков A.M., Казяев М. Д., Спиглазов А. Ф., Арсеев Б. Н., Казяев Д. М. Применение современных топливосжигающих устройств в нагревательных печах / Труды III Международного конгресса «Пече-трубостроение: тепловые режимы, конструкции, автоматизация и экология». — Екатеринбург: Инженерная мысль, 2008. — С. 152 — 159.

6. Вохмяков A.M., Казяев М. Д., Лавров B.B. Совершенствование температурного режима проходной нагревательной печи Кировского завода по обработке цветных металлов / Материалы 9-й Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и специалистов «Энергетики и металлурги настоящему и будущему России». -Магнитогорск: МГТУ, 2008. — С. 101 — 103.

7. Вохмяков A.M., Казяев М. Д., Арсеев Б. Н., Казяев Д. М., Спиглазов А. Ф. Исследование тепловой работы проходной печи для нагрева медных слябов, оснащенной рекуперативными горелками / Труды международной научно-практической конференции «Творческое наследие Б.И.Китаева». Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2009. — С. 337 — 342.

8. Вохмяков A.M., Казяев М. Д., Арсеев Б. Н., Казяев Д. М., Киселев Е. В. Методика исследования конвективного теплообмена в нагревательных печах // Труды Всероссийской научно-практической конференции «Теория и практика нагревательных печей в XXI веке». — Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2010. — С. 61−64.

9. Вохмяков A.M., Казяев М. Д., Арсеев Б. Н., Казяев Д. М. Исследование конвективного теплообмена в методической печи для термообработки вагонных осей, оснащенной скоростными горелками / Труды Всероссийской научно-практической конференции «Теория и практика нагревательных печей в XXI веке». — Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2010. — С. 65 — 73.

Ю.Вохмяков A.M., Казяев М. Д., Арсеев Б. Н., Казяев Д. М. Качество нагрева медных слябов при работе топливо сжигающих устройств в импульсном режиме / Труды Всероссийской научно-практической конференции «Теория и практика нагревательных печей в XXI веке». — Екатеринбург: УГТУ-УПИ, 2010. — С. 74 — 82.

11.Вохмяков A.M., Казяев М. Д., Казяев Д. М. Автоматическая система управления тепловым режимом камерной термической печи с выкатным подом / Труды УШ Всероссийской научно-практической конференции «Системы автоматизации в образовании, науке и производстве. -Новокузнецк: СГИУ, 2011. — С. 201 — 206.

Структура и объем диссертации

.

Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения, изложена на 131 страницах машинописного текста и содержит 22 таблицы, 62 рисунка и список использованной литературы, содержащий 63 наименования.

4.5 Выводы.

В данной главе представлены результаты компьютерного моделирования газодинамики в рабочем пространстве исследуемой печи.

С помощью программного комплекса АШУБ СБХ изучена газодинамика рабочего пространства проходной нагревательной печи. Выявлен различный сложный характер движения газов, как в продольных, так и в поперечных сечениях печи.

В нижней части печи струи горелок распространяются в объеме, по бокам ограниченном опорными столбиками и перегородками. Наличие опорных столбиков и перегородок приводит к образованию большого количества циркуляционных зон в нижней части печи.

В верхней части характер движения встречно — параллельных струй совершенно иной. Под воздействием циркуляционных зон и перетока газов из одной струи в другую, оси струй имеют значительные отклонения от направления осей горелок, что приводит к их значительной деформации.

Встречно параллельный характер движения газовых струй горелок, как в верхней так и в нижней частях печи, при большой скорости их движения приводит к высокой кратности циркуляции в рабочем пространстве печи. Подтверждением достоверности полученных данных о газодинамических характеристиках является высокая равномерность нагрева металла в печи, которая, в свою очередь была определена при проведении промышленного эксперимента.

Расчет скоростей газов с помощью программного комплекса АШУБ СБХ показывает, что, несмотря на высокие скорости истечения струи из горелки, происходит резкое затухание этих скоростей по мере движения струи за счет интенсивных перетоков газов из одной струи в другую. В результате этого у поверхности слябов продукты горения движутся с низкими скоростями, в пределах до 15 м/с.

Моделирование газодинамики в рабочем пространстве печи позволило вывести уравнение для определения коэффициентов конвективного теплообмена в подобных печах.

При исследовании движения газов в поперечном сечении печи установлено, что вокруг нагреваемого металла образуется «газовый мешок», в пределах которого наблюдаются низкие скорости движения газов, что снижает долю конвективного теплообмена.

С целью интенсификации конвективного теплообмена, за счет приближения газовых струй горелок к поверхностям нагреваемого металла была изменена геометрия рабочего пространства печи. Моделирование газодинамики в измененном рабочем пространстве печи позволило установить, что рационализация геометрии, т. е. уменьшение свободного объема рабочего пространства печи, позволило увеличить кратность циркуляции газов на 82% и среднюю скорость движения газов на 27%. Как результат увеличение коэффициентов конвективного теплообмена практически на 100% как для медных, так и для латунных слябов.

Рекомендации по дальнейшей интенсификации конвективного теплообмена за счет рационализации геометрии рабочего пространства проходной печи представлены в ОАО «Кировский завод по обработке цветных металлов». Результаты исследований конвективного теплообмена использованы ООО «НПК «УралТермоКомплекс» при выполнении предпроектной проработки новой конструкции нагревательной печи с шагающим подом для ОАО «Кировский завод по обработке цветных металлов».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

При выполнении работы получены следующие научные и практические результаты:

1. Разработана и отлажена методика проведения промышленного эксперимента по изучению внешнего теплообмена на промышленных печах.

2. Впервые проведен масштабный промышленный эксперимент, по зво ливший на основе балансовых исследований установить соотношение конвективного и лучистого теплообмена в промышленной печи, оснащенной скоростными рекуперативными горелками, работающими в импульсном режиме.

3. Получены экспериментальные значения коэффициентов конвективного теплообмена и установлена их связь с параметрами газодинамического режима печи, позволившая вывести аппроксимирующую зависимость № 1=Ще, Рг).

4. При сжигании природного газа в скоростных рекуперативных горелках проходной печи на основании балансовых исследований выявлено улучшение показателей работы печи, а именно: повышение равномерности нагрева металла, снижение расхода природного газа на -24%, увеличение производительности печи на -74%, и, как следствие снижение удельного расхода условного топлива на -56%.

5. Проведено компьютерное моделирование с целью изучения газодинамики в рабочем пространстве проходной нагревательной печи, на основании которого получены данные по кратности циркуляции газов в компьютерной модели печи, выполненной в масштабе 1:1. С помощью компьютерного моделирования определены скоростные поля в рабочем пространстве печи, из чего определены возможные направления интенсификации конвективного теплообмена при нагреве металла. Выполнена рационализация геометрии рабочего пространства печи с последующим моделированием газодинамики, которая привела к увеличению коэффициентов конвективного теплообмена на 91. .98%. 6. Результаты диссертационной работы использованы при проектировании новой нагревательной печи высокой производительности.