Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и цели исследования тепловых процессов при производстве изделий на основе углеграфитовых материалов . 7
1.1. Основные технологические операции производства изделий из углеграфитовых материалов. 7
1.2. Основные физические и физико-химические процессы при обжиге углеграфитовых материалов . 9
1.3. Анализ тепловых процессов в промышленных печах для обжига углеграфитовых загото-вок. 15
1.3.1. Анализ тепловых процессов в туннельных обжиговых печах и их конструкции. 15
1.3.2. Анализ тепловых процессов в многокамерных обжиговых печах и их конструкции.— 23
1.3.3. Анализ тепловых процессов в обжиговых печах периодического действия и их конструкции. 28
1.4. Особенности теплопередачи через слой сыпучих материалов к поверхности подвергаемых обжигу заготовок из углеграфитовых материалов. 32
1.5. Выбор метода исследования тепловых процессов, протекающих при обжиге углеграфитовых заготовок. 40
Глава 2. Экспериментальное исследование тепловых процессов в печах для обжига заготовок из углеграфитовых материалов . 42
2.1. Выбор объекта экспериментального исследования тепловых процессов в печах для обжига углеграфитовых заготовок. 42
2.2. Описание конструкции выбранной для экспериментального исследования обжиговой печи. 42
2.3. Цель экспериментального исследования. 45
2.4. Методика проведения эксперимента. 46
2.5. Результаты экспериментального исследования тепловых процессов в шахтной печи для обжига углеграфитовых заготовок. 49
2.6. Анализ результатов экспериментального исследования тепловых процессов в шахтной печи для обжига углеграфитовых заготовок . 54
2.7 Оценка погрешностей измерений физических величин, полученных в процессе проведения эксперимента. 58
2.8. Выводы по главе 2. 59
Глава 3. Математическое моделирование тепловых процессов в шахтной печи для обжига заготовок на основе углеграфитовых материалов . 61
3.1. Цели создания математической модели тепловых процессов в обжиговой печи и общие принципы ее построения. 61
3.1.1 Постановка и алгоритм решения задачи внешнего теплообмена в процессе нагрева заготовок в контейнере . 63
3.1.2 Постановка и алгоритм решения задачи внутреннего теплообмена в процессе нагрева заготовок в контейнере. 73
3.2. Результаты вычислительных экспериментов и проверка их достоверности. 81
3.3 Выводы по главе 3. 92
Глава 4. Применение метода математического моделирования для разработки предложений по совершенствованию системы управления тепловым режимом и модернизации конструкции шахтной печи для обжига углеграфитовых заготовок . 93
4.1. Применение математического моделирования для разработки предложений по совершенствованию тепловых режимов обжига заготовок. 93
4.1.1. Использование математической модели для анализа влияния условий сжигания топлива на температурный режим работы обжиговой шахтной печи. 95
4.1.2. Применение математической модели для разработки рекомендаций по управлению тепловыми режимами печей для обжига углеграфитовых заготовок . 104
4.1.3. Применение математической модели для оценки погрешностей регулирования температурного режима печей для обжига углеграфитовых заготовок по косвенным данным. 109
4.2. Применение математического моделирования для разработки предложений по модернизации шахтной печи для обжига углеграфитовых заготовок. 116
4.3. Использование результатов вычислительных экспериментов для решения технологических задач обжига углеграфитовых заготовок. 126
Заключение. 129
Список использованных источников. 132
Приложение. 137
- Основные физические и физико-химические процессы при обжиге углеграфитовых материалов
- Анализ результатов экспериментального исследования тепловых процессов в шахтной печи для обжига углеграфитовых заготовок
- Постановка и алгоритм решения задачи внешнего теплообмена в процессе нагрева заготовок в контейнере
- Применение математической модели для разработки рекомендаций по управлению тепловыми режимами печей для обжига углеграфитовых заготовок
Введение к работе
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.
і»
Основные физические и физико-химические процессы при обжиге углеграфитовых материалов
Технология получения искусственных монолитных блоков графита с размерами, достаточными для дальнейшего изготовления из них конечной продукции, по сути представляет собой процесс соединения отдельных зерен графита связующим веществом, которое в процессе дальнейшей термической обработки коксуется с образованием прочной решетки, обеспечивающей как требуемые форму и прочность изделия, так и его заданные свойства [3,4].
Производство углеграфитовых изделий включает следующие последовательно проводимые технологические операции: подготовка исходных шихтовых углеграфитовых материалов и связующего вещества (грохочение, дробление, тонкий помол, прокаливание и плавление отдельных компонентов шихты и т.д.) с целью получения углеродистых материалов определенного гранулометрического состава и удаления из них влаги и нежелательных летучих фракций; смешивание шихты со связующим веществом и придание этой массе определенной заданной формы и плотности (вальцевание, выдавливание, трамбовка, прессование); термическая обработка сформированных заготовок; механическая обработка заготовок и получение готовой продукции.
Для большей части изделий на основе искусственного графита (например углегра-фитовые блоки для атомной энергетики, электроды для металлургической и химической промышленности) термическая обработка включает в себя две последовательно проводимые операции тепловой обработки - обжиг и графитация заготовок - полуфабрикатов. Для остальных изделий проводят только одну операцию обжига.
Обжиг углеграфитовых заготовок проводится с целью сохранения приданной им формы и обеспечения необходимой, требуемой по технологии прочности. Суть этой операции заключается в нагреве заготовок с заданной скоростью и равномерностью до температур порядка 900-1000 С, выдержке заготовок при данной температуре и охлаждение с заданной скоростью. Температурный режим проведения процесса обжига зависит от большого числа факторов, таких как габариты заготовки, состав твердых фракций и связующего материала, гранулометрический состав твердых фракций, способ формования заготовки и т.д. [5]. Для предотвращения окисления углерода обжиг заготовок проводят в контейнерах с коксовыми или углеграфитовыми засыпками. Наличие слоя засыпки достаточно существенной толщины (до 500 мм) между внутренней поверхностью контейнера и заготовками затрудняет контроль и регулирование температурного режима нагрева заготовок.
Графитация представляет собой термическую обработку изделий, проводимую с целью придания материалу заготовок после обжига свойств естественных графитов. Она представляет собой процесс преобразования углеродистых материалов в графит.
Суть операции графитации заключается в том, что под воздействием высоких температур вещество обожженной заготовки из аморфного состояния превращается в кристаллический материал со строго определенной ориентацией атомов. Структура такого углеродистого материала практически соответствует структуре графита. Операция графитации проводится в две стадии: нагрев со строго определенной скоростью и равномерностью, для предотвращения образования дефектов (микро пор, трещин и дефектов кристаллической решетки и т.д.) в заготовках, и выдержка, температура которой в зависимости от технологических требований колеблется от 2200 С до 3000 С. Процесс графитации заготовок также проводят в засыпках, что предотвращает взаимодействие углерода с окислителями.
Для большинства типов и видов изделий данная операция проводится в электрических печах сопротивления прямого нагрева. Применение такого способа генерации тепла фактически в зоне технологического процесса (непосредственно в обрабатываемых изделиях и в засыпке между ними) обеспечивает достижение таких высоких температур. Как отмечается в работах [3,6] условия, возникающие в рабочих камерах печей графитации таковы, что контроль и регулирование температурного режима нагрева заготовок затруднены. При этом качество графитовых изделий, т.е. фактически качество готовой продукции, во многом определяется условиями выполнения обжига. Это обусловлено тем, что исправить ошибки, возникшие при проведении обжига заготовок, на стадии графитации невозможно. Практически регулирование температурного режима процесса графитации осуществляют путем изменения мощности печи на основании требований технологических инструкций, представляющих собой эмпирические зависимости, применимые только для конкретных заготовок.
На основании вышеизложенного можно заключить, что для изделий и заготовок из углеграфитовых материалов обжиг является основной технологической операцией. Этой операции подвергаются все без исключения изделия на основе углеграфитовых материалов и режим проведения обжига во многом определяет качество готовой продукции. Исправление ошибок при обжиге на последующих стадиях обработки заготовок практически невозможно, т.к. именно в процессе его проведения формируется кристаллическая основа будущей детали со структурой графита, а процесс графитации по существу реализует заложенные на стадии обжига возможности по формированию необходимой структуры. Поэтому разработка рациональных температурных и соответствующим им тепловых режимов работы обжиговых печей и способов их осуществления с модернизацией конструкций печей является актуальной задачей. Для ее практической реализации необходимо провести анализ основных физико-химических процессов, протекающих при проведении обжига и выяснить взаимосвязь с ними тепловых процессов.
В процессе обжига смола, связывающая отдельные зерна углеродистого материала заготовок, превращается в кокс, образуя прочную решетку, при этом фиксируется форма заготовок и достигается их необходимая прочность.
Обжиг проводится без доступа окислителей (основными являются Ог и СОг), так как взаимодействие с ними углерода приводит к его интенсивному окислению и должно быть полностью предотвращено. Возникновение данного явления крайне нежелательно и потому, что механическая прочность обожженных материалов в основном зависит от количества образующегося из смол кокса, а окисление неизбежно приводит к его уменьшению, а вследствие возникновения внешних и внутренних дефектов решетки [1,6] может быть не обеспечена достаточная однородность и плотность кокса, составляющего основу заготовки. Технологический режим обжига должен обеспечивать максимальное образование кокса из смолы углеграфитовой заготовки. Уменьшение однородности и плотности кокса приводит к ухудшению теплофизических и электротехнических свойств готовых изделий, понижает их термостойкость и устойчивость к внешним воздействиям. Поэтому обжиг углеграфитовых заготовок проводят в коксовых засыпках. Нагрев заготовок в засыпках обеспечивает проведение данной термической операции в безокислительной защитной атмосфере [1,3]. Термическая обработка (коксование) различного вида пеков, используемых в качестве связующих смол углеграфитовых материалов, сопровождается сложными химическими реакциями. Разложение и полимеризация составляющих смолы веществ приводит к образованию различного типа соединений углерода и водорода (легких, тяжелых, предельных и непредельных углеводородов). Процесс коксования сопровождается также частичной возгонкой и дистилляцией способных коксоваться веществ. Данные процессы являются нежелательными, так как уменьшают количество образующегося кокса.
Анализ результатов экспериментального исследования тепловых процессов в шахтной печи для обжига углеграфитовых заготовок
Следует отметить, что на основании указанных в работе [3] причин возникновения различных скоростей нагрева нижней и средней части загрузки невозможно объяснить отставание температуры ее середины. Поэтому наиболее вероятно, что характер распределения температуры по объему садки в основном определятся тепловыми сопротивлениями слоев засыпки между заготовками и поверхностями контейнеров.
Длина отдельных зон и фактически соответствующий им график нагрева в туннельных печах устанавливаются обычно при их проектировании. Относительная длина отапливаемой зоны (зона обжига) обычно составляет не более 15% от общей длины печи и поэтому существенно изменить режим нагрева путем отключения части расположенных в ней горелок или путем изменения температуры горения варьированием расхода подаваемого к горелкам предварительно подогретого воздуха не представляется возможным. Такие способы регулирования температурного режима при практически постоянном соотношении длин зон не могут повлиять на скорости нагрева заготовок в отдельных зонах. Поэтому в печах туннельного типа можно осуществить только достаточно простые режимы с монотонным изменением температуры по длине печи и, следовательно, проводить обжиг только однотипных заготовок.
На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что увеличить равномерность прогрева заготовок за счет уменьшения скорости нагрева в печах туннельного типа без супіественного уменьшения их производительности невозможно. Следует отметить, что изменение интенсивности генерации тепла в зоне обжига неизбежно должно сказаться и на расходе подаваемого в зону охлаждения холодного воздуха, что в свою очередь повлияет на эффективную температуру печи в зонах обжига и подогрева и изменит температурный режим нагрева заготовок.
В печах такого типа применяют несколько способов организации процесса горения топлива: - без предварительного смешения природного газа и воздуха, т.е. процесс горения осуществляется непосредственно в рабочем пространстве печи; - неполное сжигание газа в специальных топках (или топочных нишах) с дожиганием его в рабочем пространстве печи при подаче воздуха, охлаждающего заготовки; - полное сжигание газа в выносных топках [3]. Все эти способы имеют достаточно существенные недостатки. Неполная подготовка горючей смеси неизбежно вызывает недожог топлива тем больший, чем больше смесь отличается от стехиометрического состава.
С теплотехнической точки зрения процесс горения топлива должен осуществляться в топках полного сгорания. Это позволяет также более полно использовать тепло нагретого за счет охлаждения садки воздуха. Однако это может привести к нежелательному увеличению скорости нагрева заготовок и более неравномерному распределению температуры по их объему. Поэтому, как отмечается в работе [3], такой способ сжигания используется только при осуществлении форсированного режима работы печи.
Однако, с точки зрения утилизации летучих веществ, выделяющихся при обжиге, наилучшие результаты можно получить при использовании первого способа. В этом случае зона горения смещается к зоне подогрева (зона 1, рис 1.4), температура газов увеличивается, что и приводит к частичному дожиганию летучих. Однако, утверждение о том, что в туннельных печах происходит полное сжигание летучих веществ [3], в результате чего отпадает необходимость в установке электрофильтров для очистки дымовых газов, представляется не вполне обоснованным. Во-первых, основная масса летучих веществ выделяется из материала заготовки в диапазоне температур до 600 С, т.е. (судя по графику рис. 1.8) ближе к середине 1-ой зоны. Во-вторых, поток летучих веществ направлен в сторону области с меньшей концентрацией кислорода и с температурой недостаточной для их воспламенения. Для надежного дожигания выделяющихся веществ необходимо обеспечить смешение их с достаточным количеством кислорода, а температура смеси должна составлять не менее 1200 С [12,13,14].
Расположение заготовок внутри засыпки затрудняет контроль температуры в процессе обжига. Контроль и регулирование температурного режима обжига проводится косвенными методами: по показаниям датчиков, измеряющих температуру поверхности кессонов (или тиглей) и датчиков, измеряющих температуру греющей среды, а также по качеству обожженных заготовок. По их структуре и фазовому составу можно судить о температуре обжига (температуре выдержки) заготовок, скорости и равномерности их нагрева и, исходя из этого, провести коррекцию теплового режима печи. Поэтому режим обжига подбирают в настоящее время опытным путем.
Большое количество факторов, влияющих на температурный режим обжига, существенно затрудняет задачу определения рационального графика нагрева заготовок, а контроль его проведения по косвенным данным может привести к значительным отклонениям от заданного. Поэтому разработку рациональных режимов обжига углеграфитовых заготовок целесообразно осуществлять с использованием методов численного моделирования. Управление тепловыми процессами в печи также можно проводить с их помощью.
Многокамерные обжиговые печи, применяемые в основном для обжига крупногабаритных заготовок, представляют собой систему, состоящую из большого числа отдельных камер (рис. 1.9), соединенных между собой каналами для передачи продуктов сгорания из одной камеры в другую. Число отдельных камер колеблется от 20 до 32. Камеры обычно располагаются в два параллельных ряда. Каждая камера оборудована сожигатель-ными устройствами (щелевые горелки без предварительного смешения), работающими на газообразном топливе. За счет последовательного сжигания топлива в отдельных камерах и переброски продуктов сгорания в неотапливаемые в данный период камеры, обеспечивается необходимый температурный режим нагрева и выдержки. Углеграфитовые заготовки располагают в специальных контейнерах - кассетах, выложенных из огнеупорного кирпича. В одной камере располагают от трех до шести кассет.
Требуемый режим охлаждения осуществляется за счет последовательной подачи холодного вентиляторного воздуха из камеры в камеру. При этом воздух постепенно нагревается до температуры 700-800 С и используется для сжигания топлива в топках. Эти топки расположены либо вертикально, вдоль боковой поверхности камеры, либо горизонтально, в простенках между камерами. В обоих случаях продукты сгорания поступают из топок под свод рабочей камеры и, проходя через каналы между кассетами, обеспечивают нагрев изделий в засыпке (рис. 1.10 и 1.11), [3]. Толщина засыпки в верхней части кассеты составляет не менее 300 мм, в нижней части - не менее 100 мм, а между заготовками - от 30 до 50 мм. При установке заготовок в засыпке обычно применяют специальные шаблоны. На рис. 1.9 представлен следующий момент рабочего цикла: - в камеру № 12 (отапливаемую камеру) подают газообразное топливо; - продукты сгорания последовательно отводят через камеры № 13 - № 18, откуда они поступают в боров дымоотводящего тракта; - в камеру № 7 подают холодный воздух, который последовательно проходит камеры № 8 - № 11, где нагревается и подается к горелке камеры № 12; - в камерах № 6 - № 4 происходит охлаждение заготовок без принудительной подачи холодного воздуха; - в камерах № 1, № 2, № 3, № 19 и № 20 производят выгрузку и загрузку заготовок и осуществляют подготовку камер к обжигу.
Постановка и алгоритм решения задачи внешнего теплообмена в процессе нагрева заготовок в контейнере
Результаты измерений температуры различных частей садки в процессе обжига подтвердили, что скорость нагрева заготовок в значительной мере определяется местом их расположения внутри засыпки. При этом наблюдаются существенные различия в скоростях нагрева (см. рис. 2.8).
Такое различие в скоростях нагрева предопределяет как различное время начала технологических периодов (замедленного, ускоренного нагрева и выдержки), так и значения температуры, при которых происходит переход от периода к периоду. Длительность периода замедленного нагрева в верхней части контейнера составляет 15 часов, а в нижней - 30 часов; при этом температуры перехода составляют соответственно 300 С и 200 С. Длительность периода ускоренного нагрева для верхней части контейнера составляет 20 часов, а для нижней его части 30 часов, при этом температуры перехода составляют соответственно 900 С и 650 С.
Длительность периода выдержки для верхней части контейнера составляет 20 часов при средней температуре 850 С, а для нижней части - соответственно 10 часов и 700 С. Аналогичная картина наблюдается в печах непрерывного и квазинепрерывного действия (см. рис. 1.8 и 1.12).
Результаты анализа отводимых газообразных продуктов, представленные на рис.2.4 показали, что выделение углеводородов из садки начинается с 15-го часа после начала процесса обжига. В отбираемых перед шибером пробах наблюдались следы водорода и метана. Заметное выделение этих газов наблюдали начиная с 25-го часа процесса обжига, при температуре в средней части садки порядка 240 С. Максимальное содержание водорода и углеводородных соединений в отводимых газах составляло 2,5% Нг, 1,9 % СН4 и происходило при температурах в средней части садки порядка 750С. Таким образом, можно утверждать, что технология экспериментально исследуемого процесса обжига соответствует общим технологическим рекомендациям (см. раздел 1.2) по нагреву угле-графитовых заготовок.
Наличие (с 25 часа) в атмосфере рабочего пространства печи существенного количества оксида углерода (до - 2,8%) и кислорода (не менее 5 % в это же время), а также возрастание концентрации СНд , при неизменной концентрации Нг , по всей видимости, говорит о значительном недожоге используемого в качестве топлива природного газа. На основании данных рис. 2.4 (по методике, представленной в работе [33]) были определены значения коэффициента расхода воздуха (см. рис. 2.2, б). В соответствии с методическими указаниями работ [12,13,14] был проведен расчет недожога природного газа. Результаты расчета показали, что значительный недожог топлива наблюдается в течение последних 20 часов обжига и в среднем составляет не менее 30% с 36 часа по 48 час и не менее 40 % в последние 7 часов обжига.
Представленные выше результаты дают возможность оценить эффективность использования химической энергии топлива и газовыделений образующихся при формировании пеков. Коэффициент полезного использования тепла, отнесенный ко всей массе засыпной садки, составляет менее 5 %. Принимая во внимание, что температура отводимых газообразных продуктов перед шибером составляла не более 415С по показаниям термопары (поз 8, рис. 2.1). Поэтому можно утверждать, что основные затраты тепла связаны с аккумуляцией тепла кладкой печи, составляющими не менее 70 %.
Оценку погрешностей измерений физических величин проводили в соответствии с требованиями ГОСТа 8.467 - 82 и по методикам, представленным в работе [37].
В соответствии с общими рекомендациями по применению метода измерения температуры по термоэлектродвижущей силе (т.э.д.с.) в диапазоне температур от 0 до 1000 С измерения проводили при помощи термопар хромель - алюмель. В соответствии с ГОСТ 3044 - 84) пределы основной допустимой погрешности (V) термопар такого типа составляют ±1,5 С в диапазоне температур от - 40 до 375 С, а диапазоне температур от 375 до 1350 С она может быть определена как V= 0,004Т. При температуре измерения 1000 С V=±4C. Учитывая, что термостатирование свободных концов термопары не проводилось, а в качестве компенсационных проводов использовали провода из хромели и алюме-ли, суммарная допустимая погрешность системы термопара - компенсационные провода не превышала ± 5.5С. При этом температура воздуха в цехе составляла около 10 С. В соответствии с ГОСТ 8.401 - 80 предельная допустимая погрешность измерения т.э.д.с. автоматическим потенциометром типа КСП с классом точности 0,5 и ценой деления 10 С не превышает ± 5С. При измерении и регистрации контролируемых величин учитывали также вариации и погрешности [36] (при условии нормальной работы приборов), возникающие вследствие неточной установки диаграммной ленты и снятия показаний. Первая увеличивает погрешность на 0,15 % от диапазона шкалы прибора (0 -1100 С), вторая увеличивает погрешность не более, чем на 10 %. Учет вышеприведенных данных показал, что максимальная абсолютная погрешность в диапазоне температур от 0 до 375 С не могла превышать ± 2 С, а в диапазоне температур от 375 до 1000 С - ±15 С.
В соответствии с требованиями ГОСТ 15528 - 70 максимальная допустимая погрешность измерения объемных расходов и объемов очищенных и неагрессивных горючих газов, к которым относится природный газ, определяется допустимой погрешностью измерительного прибора. По паспорту допустимая погрешность измерения счетчика газа РГ.40 составляет ± 3%. Поэтому максимальная погрешность измерения расхода при проведении эксперимента не могла превышать ± 0,5 м3/час.
Основная приведенная погрешность измерений (У) окислительного потенциала атмосферы и остаточного кислорода (при использовании газоанализаторов на основе диоксида титана) определяли по выражению [13,37]: где Ao - объемная доля кислорода в смеси, Ак и Ап - объемные доли кислорода соответствующие верхнему и нижнему пределу измерений, Aj - объемная доля, определенная по показаниям термо-ЭДС прибора.
В соответствии с паспортными данными основная приведенная погрешность определения состава отходящих газов при использовании хромотографа «Газохром - 3101», настроенного по калибровочной газовой смеси Н2, 02, СНд, и СО, с порогом чувствительности (в объемных %): Н2- Ю"4, СН4 - 10"\ 02 - 10"2, С02 - 10 1 и СО - 10 1 и погрешностью измерения абсолютных значений пиков хромотограмм: Н2 - 1,5%, 02 - 2,5%, СНд -5% и СО - 2,5% в интервале измерений до 10% составляет не более 1%.
Применение математической модели для разработки рекомендаций по управлению тепловыми режимами печей для обжига углеграфитовых заготовок
Проверку достоверности результатов численных расчетов с применением вышеописанной математической модели тепловых процессов в шахтной печи для обжига углегра-фитовых заготовок проводили путем сравнения показаний термопар, установленных в засыпке с данными вычислений по модели.
В процедуре ввода исходных данных для проведения вычислений на модели предусмотрено оперативное изменение следующих технологических параметров: - количество и длительность периодов регулирования теплового режима печи (t, час), задавали в соответствии с технологической картой - инструкцией; - средний расход топлива по периодам регулирования (В, м3/час), который задавали по полученным экспериментальным данным; -значение среднего за период коэффициента воздуха (Крв), задавали по полученным экспериментальным данным; - условия сжигания топлива (недожог в %), задавали по полученным эксперимен тальным данным; - основные размеры контейнера с коксовой засыпкой (Н, м и R, м), (см п. 2.2), где Н - высота контейнера, R - радиус контейнера; - основные размеры и места расположения заготовок в засыпке (h, м, г, м, \\, м, Ь, м) (см. п. 2.2), где h - высота заготовки, г - радиус заготовки, \\ - расстояние от днища контейнера до нижней заготовки, Ь - расстояние между заготовками. Вычислительный эксперимент, проведенный на описанной математической модели с использованием условия адиабатности нижней поверхности контейнера с заготовками (граничное условие 3.33) показал, что при использовании вышеперечисленных технологических параметров в соответствии с п. 2.3, наблюдается существенное расхождение расчета с данными эксперимента. Расчетные значения температур в контрольных точках превышают опытные на 150 - 170 К, причем наибольшее расхождение результатов получили для точек, расположенных у днища контейнера.
Данный вычислительный эксперимент подтвердил вывод об отводе тепла с нижней поверхности контейнера в решетку подины печи. Таким образом, можно утверждать, что в печах шахтного типа наличие под контейнером неразвитой газовой зоны не приводит к увеличению равномерности нагрева садки по высоте. Относительно невысокая температура продуктов сгорания и незначительная толщина слоя излучающих газов под контейнером, приводит к тому, что количество тепла, поступающего к его днищу, значительно меньше тепла, отводимого на прогрев подины под контейнером. По этим же причинам аналогичная картина должна наблюдаться и при проведении обжига в печах туннельного типа, где газовая зона между нижней поверхностью контейнера и поверхностью вагонетки так же неразвита (см. рис 1.5 и 1.6).
Проведенный вычислительный эксперимент показал также, что для описания процессов теплообмена в топливных печах, применяемых для обжига углеграфитовых заготовок можно использовать упрощенные математические модели без нижней газовой зоны под контейнером. При организации процедур расчета [46] условий сопряжения задач теплопроводности на границе контейнер - решетка (см. уравнения 3.32 и 3.36) использовали величину эффективной плотности материала решетки. Значение эффективной плотности рассчитывали исходя из условия из условия, что масса материала решетки равномерно распределена по всему ее объему, т.е. площадь контакта контейнера с решеткой принимали равной площади контейнера.
Достоверность результатов расчета, полученных при использовании представленной модели, определяли путем сравнения данных вычислительного эксперимента с данными, полученными в результате прямого измерения температур в контрольных точках. При проведении расчетов задавали (на основании проведенного хронометража) следующие параметры теплового режима:
Результаты вычислительного эксперимента представлены на рис. 3.6 - 3.11. Сравнение результатов вычислительного эксперимента с полученными опытными данными показало: 1. Для области расположения заготовок в засыпке: - расхождение результатов расчета с опытными данными на протяжении периодов нагрева заготовок не превышают 20 - 25 К, относительная ошибка расчета не превышает 5% (см. рис. 3.7 и 3.9); - в течение периода теплотехнической выдержки расхождение результатов достигает 40 - 45 К в центре засыпки (между заготовками), а относительная ошибка расчета не превышает 6% (см. рис. 3.9); - в течение периода теплотехнической выдержки для нижней части засыпки (под нижней заготовкой) результаты практически совпадают (см. рис. 3.7); - в верхней части засыпки (над верхней заготовкой) (см. рис. 3.11) максимальные расхождения достигают 80 К, а относительная ошибка расчета с учетом погрешности измерения не превышает 15%. Это наблюдаются в начале периода ускоренного нагрева, что не представляет существенной опасности с технологической точки зрения, так как основные процессы формирования структуры материала заготовки (углеграфита) уже практически завершены (см. п. 1.2). Но в конце периода ускоренного нагрева расчетные и опытные данные практически совпадают. Данное сравнение позволяет заключить, что разработанная модель вполне адекватно описывает процесс нагрева заготовок при условии их расположении по оси контейнера, при толщине засыпки над верхней заготовкой не менее 300 мм. 2. Для области засыпки, расположенной у боковой поверхности контейнера (см рис. 3.6, 3.8 и 3.10) максимальное расхождение результатов вычислительного экспе римента с опытными данными (до 80, К) наблюдается на протяжении всего процесса обжига, а относительная ошибка расчетов не превышает 20%. Эти отклонения по выше указанным причинам не являются опасными с технологической точки зрения.
![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")
