Введение к работе
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 50-70-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 теплоиспользо- вания (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 топливно- энергетических 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 11 1 источников и 11 приложений. Она изложена на 197 страницах машинописного текста, включает 28 таблиц, 55 рисунков.
![Совершенствование режимов работы блока доменных воздухонагревателей с целью повышения эффективности процесса нагрева дутья [Электронный ресурс]](/i/i/4263/169004.png "Совершенствование режимов работы блока доменных воздухонагревателей с целью повышения эффективности процесса нагрева дутья [Электронный ресурс] Рябчиков Михаил Юрьевич")
