Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ современных направлений интенсификации тепловых процессов при нагреве металла 10
1.1. Управление нагревом металла 13
1.2. Параметры управления внешним теплообменом 18
1.3. Методы повышения температурного потенциала топлива 22
1.4. Предварительное смешение топлива и окислителя 37
1.5. Выводы 39
2. Теоретические основы интенсификации теплообмена в нагревательных печах 42
2.1. Оптимизация нагрева при обогащении вентилятор ного воздуха кислородом 43
2.1.1. Нагрев при постоянном расходе топлива 43
2.1.2. Управление расходом топлива и кислорода 53
2.2. Определение параметров цикличного отопления печей численно-аналитическим методом 65
2.2.1. Выбор квазистационарных условий нагрева тонких тел 65
2.2.2. Математическое моделирование процесса нагрева массивных тел 77
2.3. Аналитический метод определения параметров импульсного отопления камерных печей 101
2.4. Выводы 118
3. Разработка и исследование основ технологии нагрева стали с применением кислорода 120
3.1. Особенности нагрева металла при обогащении воздуха кислородом 121
3.2. Тепломассообмен в условиях использования кислорода 132
3.3. Качество сжигания топлива при частичном предварительном смешении с кислородом 154
3.4. Расширение диапазона параметров теплообмена при использовании кислорода 165
3.5. Выводы 173
4. Рациональные теплотехнические и технологические параметры процесса нагрева металла 174
4.1. Математическая модель рекуперативной нагревательной печи 175
4.2. Определение параметров нагрева металла 180
4.3. Исследование теплового режима нагревательных колодцев 189
4.4. Разработка методов повышения эффективности регенераторов и керамических рекуператоров 207
4.5. Пути снижения угара металла 213
4.6. Выводы 222
5. Прогнозирование длительности нагрева слитков 224
5.1. Исследование процесса охлаждения 229
5.2. Прогнозирование в период посада 237
5.3. Коррекция прогноза в период подъема температуры 253
5.4. Методика определения длительности периода выдержки металла 263
5.5. Выводы 272
6. Разработка, исследование и внедрение средств интен сификации теплообмена 274
6.1. Стабилизация параметров топлива 275
6.2. Работа печей при раздельной подаче двух видов топлива 283
6.3. Усовершенствование горелочных устройств 288
6.3.1. Горелки ГНПЗп с частичным предварительным смешением топлива и окислителя 288
6.3.2. Трехпроводная плоскопламенная горелка 298
6.3.3. Особенности работы щелевых горелок 303
6.4. Алгоритмы и системы управления тепловым режимом нагревательных печей 305
6.5. Исследование теплообмена при цикличном отоплении 335
6.6. Снижение вредных выбросов в атмосферу 341
6.7. Технико-экономическая эффективность использования кислорода и переменной теплотворной способности топлива в нагревательных колодцах 348
6.8. Выводы 353
Общие выводы 355
Литература 362
Приложение 387
- Параметры управления внешним теплообменом
- Определение параметров цикличного отопления печей численно-аналитическим методом
- Тепломассообмен в условиях использования кислорода
- Определение параметров нагрева металла
Введение к работе
В решениях ХХУІ съезда КПСС отмечается, что выполнение главной экономической задачи одиннадцатой пятилетки будет осуществляться путем "... ускорения научно-технического прогресса и перевода экономики на интенсивный путь развития, более рационального использования производственного потенциала страны, всемерной экономии всех видов ресурсов и улучшения качества работы"[I]. С этой целью предусматривается широкое техническое перевооружение промышленности, в том числе и предприятий черной металлургии, на основе использования достижений науки, создания и внедрения в производство принципиально новой техники и прогрессивной технологии, повышения качества металлопродукции.
В "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" отмечается, что в 1985 г. намечено произвести 117—120 млн.тонн готового проката черных металлов. Ввиду того, что затраты по нагреву в металлургических нагревательных печах составляют 12-53$ от расходов по прокатному переделу ( из них 30-6Е$ - стоимость топлива) [ 2] , снижение их является особенно актуальным для народного хозяйства страны. Повышение коэффициента использования тепла этих агрегатов является одной из ключевых задач металлургической теплотехники, так как увеличение его на 1% позволяет в масштабах страны сэкономить 10 млн. т условного топлива в год [3] . Для этого необходима дальнейшая интенсификация теплообмена при одновременном снижении неравномерности нагрева за счет совершенствования конструкций топливных нагревательных печей и режимов их работы, что позволит снизить угар металла и удельный расход топлива, улучшить качество продукции, а также повысить производительность и другие технико-экономические показатели.
Недостаточно разработаны и мало используются в металлургической промышленности такие важные резервы интенсификации тепловой работы печей для нагрева металла, как повышение потенциала топлива и организация управляемого теплообмена. Идея управляемого теплообмена в печах с естественной циркуляцией газов предложена В.Е.Грум-Гржимайло [4] , а в печах с принудительной циркуляцией - М.А.Глинковым [5] . Промышленная проверка управляемого теплообмена началась в последние 10-15 лет. Примером практической реализации является применение качающейся горелки в нагревательных колодцах [б] , цикличное изменение длины факела [7,8] , тепловой мощности [9,10] ,кратности рециркуляции продуктов сгорания [II] , а также использование способов и устройств, обеспечивающих перемещение высокотемпературной зоны факела [12].Установлены качественные и количественные закономерности тепломассообменных процессов в условиях рециркуляции и реверса потока газов [13, 14] .Однако, из-за недостаточного количества информации о рациональной частоте перемещения высотемпературной зоны факела в рабочем пространстве печи, способах отопления и устройствах, позволяющих расширить диапазон управления теплообменом, новое направление пока не получило широкого практического применения. В условиях повышения потенциала топлива, обеспечивающего интенсификацию теплообмена, одновременно должна решаться как проблема равномерности нагрева металла, особенно в высокотемпературных печах, так и оптимизации режимных параметров по затратам на нагрев,
Организация управляемого теплообмена требует расширения диапазона управления тепловой мощностью печи, температурой и другими параметрами факела. При этом важно оценить влияние новых разработок на изменение угара металла, вредные выбросы в атмосферу, а также выявить возможность рационального управления тепловым режимом. В настоящей работе на основе анализа известных разработок, исследований и теоретических обобщений решена научная проблема интенсификации тепломассообменных процессов при нагреве металла в условиях переменного состава газовой среды, имеющая важное народнохозяйственное значение для повышения эффективности работы и топливоиспользования нагревательных печей.
Теоретические основы работы представлены решением задачи оптимизации нагрева при обогащении вентиляторного воздуха кислородом для фиксированного и свободного времени; численно-аналитическим методом определения параметров цикличного отопления печей при нагреве тонких и массивных тел; созданной математической моделью теплообмена, позволяющей осуществить расчет динамики нагрева при цикличном отоплении для сложных граничных условий с учетом изменения свойств газовой среды и металла на каждом шаге расчета; методикой определения длительности нагрева слитков в камерных печах по текущей информации о параметрах металла и объекта, а также аналитическим методом определения параметров импульсного отопления камерных печей.
На основе теоретических исследований, выполненных с применением ЭВМ, разработаны новые способы отопления печей для нагрева металла путем подачи кислорода в воздух или топливо и использования управляемой переменной теплотворной способности; усовершенствованы горелочные устройства для расширения области применения предложенных способов отопления, а также алгоритмы и системы автоматического управления параметрами теплового режима.
Оценка эффективности научных и технических решений проведена путем экспериментальных исследований, выполненных на лабораторных и промышленных установках.Разработана технология нагрева стали с применением кислорода,проведены исследования тепломассообменных
процессов в рабочем пространстве печи, качества сжигания топлива, угара металла и количества вредных выбросов в атмосферу. Осуществлен выбор рациональных тепловых и технологических режимов. Экспериментальные исследования выполнены для условий отопления нагревательных печей металлургических заводов низкокалорийным газообразным топливом.
Технология нагрева стали с применением кислорода внедрена в отделениях нагревательных колодцев Карагандинского и Орско-Хали-ловского металлургических комбинатов и Коммунарского металлургического завода. Эксплуатируется способ отопления нагревательных колодцев с переменной теплотворной способностью топлива. Двухпроводные горелки с частичным предварительным смешением воздуха установлены на 10 нагревательных и термических печах завода "Дне-проспецсталь". Способ импульсного отопления применяется в отделении нагревательных колодцев Карагандинского металлургического комбината. Экономический эффект от использования внедренных мероприятий в двух отделениях нагревательных колодцев составляет более I млн.рублей в год.
Основные разделы диссертации выполнены по плану научно-исследовательских работ Минчермета СССР, важнейших работ Минчермета УССР, в соответствии с приказами Союзметаллургпрома и региональной программой "Темп" и направлены на решение задач, обеспечивающих экономию топлива, повышение производительности печей и качества нагрева металла.
За разработку и внедрение технологии нагрева с обогащением вентиляторного воздуха кислородом автор удостоен серебряной медали ВДНХ СССР, две работы по теме диссертации приняты для экспонирования на ВДНХ СССР в 1983 году.
На защиту выносятся:
- решение задачи оптимизации нагрева при обогащении вентиляторного воздуха кислородом для фиксированного и свободного времени;
- обоснование и выбор рационального способа повышения потенциала топлива и технология нагрева стали с применением кислорода путем подачи его в воздух или топливо;
- аналитический метод расчета параметров импульсного отопления камерных печей;
- методика определения области квазистационарных условий нагрева тонких и массивных тел при цикличном отоплении печей;
- математическая модель теплообмена для исследования на ЭВМ динамики нагрева металла при цикличном отоплении печей;
- методы определения длительности нагрева слитков в камерных печах с учетом текущей информации о свойствах металла и объекта;
- цикличные способы отопления нагревательных печей;
- горелочные устройства, обеспечивающие расширение диапазона управления параметрами теплообмена;
- способы стабилизации параметров низкокалорийного топлива;
- алгоритмы и системы управления тепловым режимом с использованием информации по возмущениям.
Диссертационная работа выполнена на кафедре автоматизации металлургических процессов Запорожского индустриального института.
Параметры управления внешним теплообменом
Улучшение эффективности теплообмена и тогошвоиспользования в нагревательных печах осуществляется, в основном, за счет интенсификации теплоотдачи от факела к металлу, увеличения температурного потенциала топлива, рационального распределения ввода его и удаления продуктов сгорания, использования самонастраивающихся систем управления [41] .
Оценка влияния различных факторов на эффективность работы печей может быть выполнена на основе анализа статей теплового баланса, уравнения внешнего теплообмена и коэффициента использования топлива.
Используя выражение В.Н.Тимофеева [3] для приведенного коэф где Е 0 - постоянная излучения абсолютного черного тела; 6 - степень черноты газов и металла, соответственно; г» м Ч?м - угловой коэффициент металла на кладку; Т Т Т калориметрическая температура горения топлива, температура отходящих продуктов сгорания и металла, соответственно; к 9 - тепло, переданное конвекцией от газа к кладке; Q - потери тепла через кладку; j,nom - коэффициент теплоотдачи конвекцией; к р - площадь поверхности нагреваемого тела. Некоторые члены уравнения (1.3) (Я,погл,% г ) представляют собой постоянные значения для данного нагрева, а &м изменяется незначительно, поэтому при анализе их влияние на теплообмен можно не учитывать.
Из уравнения (1.3) видно, что наиболее эффективным параметром внешнего теплообмена является калориметрическая температура горения топлива.На основе исследований, проведенных М.А.Михеевым 44] и Р.Ч.Л.Босвортом [45] , получена зависимость критерия Нуссельта от критерия Рейнольдса, из которой следует использовать для реализации управляемого теплообмена, например при импульсном отоплении.
При разработке способов и устройств для отопления печей необходимо учитывать возможность общего повышения теплового потока от газа на поверхность металла и за счет увеличения &р .Эффективность интенсификации внешнего теплообмена можно оценить по изменению коэффициента использования топлива, представленному в следующем виде: V. - расчетное количество продуктов сгорания на I м3 топлива. Условия теплообмена в рабочем пространстве печей зависят и от окалинообразования. Отсутствие информации о температуре поверхности металла и составе газовой среды в рабочем пространстве, а также наличие перепада температур затрудняет прямой контроль скорости окисления металла, поэтому предлагается осуществлять его косвенным методом на основе решения уравнения материального баланса кислорода газовой фазы [49] соответственно, содержание впродуктах сгорания, доли; т т0,,Na - соответственно, содержание иг и Nu в топливе, доли; Q209 и 0,791- содержание кислорода и азота в воздухе, доли. В связи с тем, что на каждой нагревательной печи осуществляют автоматическое измерение расхода топлива Вт , при постоянном его составе скорость поглощения кислорода металлом может быть определена по составу отходящих продуктов сгорания (О, , Си2 ,С0Д).
При существующей технологии нагрева главной задачей является выполнение заданных условий нагрева и обеспечение их идентичности для разного сортамента металла. Для этой цели необходима разра ботка надежных средств контроля и управления качеством сжигания топлива.
Из рассмотренного видно, что управление внешним теплообменом может осуществляться изменением, прежде всего, температурного потенциала топлива, а затем тепловой мощности и радиационных характеристик факела.
Применение управляемого теплообмена позволяет ускорить теплоотдачу от факела к металлу, поэтому важной остается проблема прогнозирования длительности нагрева металла в камерных печах.
Известны следующие способы повышения потенциала топлива: увеличение теплотворной способности, обогащение воздуха кислородом, минимизация избытка окислителя, а также рост температуры подогрева компонентов горения [41] . Выбор соответствующего метода определяется в значительной мере технико-экономическими показателями, которые зависят от исходных параметров агрегата. Предварительная оценка его эффективности может осуществляться на примере расчета нагрева тонких и массивных тел различной формы, преимущества же любого из них могут быть установлены по результатам исследований нагрева одного вида тел. Для указанной цели можно использовать полученное на основе [46,78] выражение
Сравнительная оценка эффективности применения кислорода и переменной теплотворной способности топлива при различной температуре подогрева компонентов горения выполнена по калориметрической температуре горения [20,47] для природиодоменных и коксодоменных смесей.
При сжигании коксодоменной смеси ( рис.1.1а) с подогревом топлива и воздуха до 800С повышение теплотворной способности от 3,75 до 8,5 МДж/м3 приводит к росту температуры на 375С, в условиях же использования обогащенного воздуха - на 520С. Как видно из расчетных данных, рост температуры горения доменного газа за счет обогащения воздуха кислородом до 28-29% соответствует повышению теплотворной способности с 3,75 до 4,5 МДж/м3. При подогреве газа до 200С и воздуха до 400С (рис.1.16) обогащение воздуха кислородом до 28% обеспечивает повышение температуры горения на 150С, что соответствует увеличению теплотворной способности природнодоменной смеси с 4 до 5,6 МДк/м3.
Отопление нагревательных печей с переменной теплотворной способностью топлива и обогащением воздуха кислородом расширяет управление параметрами теплообмена. Однако, с увеличением теплотворной способности топлива Ин возрастает потребность в воздухе, необходимом для сжигания единицы топлива, при обогащении же воздуха кислородом она уменьшается. Поэтому второй способ может применяться на печах, имеющих ограничение по воздуху.
Возможность повышения тепловой мощности печей в условиях ограниченной подачи воздуха в рабочее пространство оценена по результатам расчетов удельной тепловой мощности (на единицу подаваемого воздуха) для различного состава топлива и переменной степени обогащения воздуха кислородом [5l] . Обогащение воздуха
Определение параметров цикличного отопления печей численно-аналитическим методом
Различие условий внутреннего теплообмена при нагреве тонких и массивных тел не позволяет разработать единую методику расчета параметров цикличного отопления, поэтому для тонких тел применен аналитический, а для массивных - численный метод.
Основными параметрами цикличного способа отопления являются амплитуда и период колебаний температуры факела в рабочем пространстве печи. Амплитуда зависит от конструктивных особенностей печи и применяемых горелок и определяется разностью температур по оси факела: - максимальное и минимальное значения температуры факела над нагреваемым металлом, соответственно.
Период цикла t оказывает существенное влияние на амплитуду изменения температуры поверхности металла Нп , максимальное значение перепада температуры Д tT по объему нагреваемого тела, а, следовательно, и на качество нагрева.
Известно, что fln=f(Aq ,tn) [208] .Поэтому, изменяя значение Zn , можно получить необходимое качество металла, обеспечив переход в область квазистационарных условий нагрева. В литературе отсутствует информация по методам определения области граничных значений частот перемещения высокотемпературной зоны факела.
Очевидно, чем больше частота, тем больше вероятность усреднения температуры факела в направлении перемещения высокотемпературной зоны. Однако, верхний предел частот ограничен случайными возмущающими воздействиями по давлению в коллекторах компонентов горения или теплотворной способности топлива.
Для определения верхнего предела частоты на основе материального баланса газовой среды рабочей камеры с использованием [75] получено уравнение динамики печигде V - объем рабочей камеры; 2 - плотность газа; В В массовый расход на входе и выходе рабочей камеры. Осуществив линеаризацию зависимости расходов Bt и Вг от перепада давлений путем их разложения в ряд Тейлора и определив из уравнения политропы [76] производную(2.26)где р у 2 - давление и плотность газа в рабочей камере донанесения возмущающего воздействия; п. - показатель политропы; Р, Pt - текущие значения давления в рабочем пространствеи коллекторе, соответственно. В реальных условиях работы на металлургических заводах давление в общем коллекторе изменяется во времени, т.е. P = f(zl. где D д - постоянный коэффициент.
Из полученного выражения видно, что динамика печи по давлению при нанесении возмущающих воздействий в общем коллекторе описывается дифференциальным уравнением первого порядка, решение и анализ которого позволили определить верхний рабочий цредел частоты перемещения факела.
Из анализа динамики движения газов [244] следует, что при непрерывном чередовании возмущений с переменным знаком возможно образование гармонических изменений расхода топлива, затрудняющих реализацию цикличных способов отопления. Существующие средства автоматики не позволяют стабилизировать процесс из-за быстродействия параметра. Анализ работы отделений нагревательных колодцев и проходных термических печей Коммунарского металлургического завода, завода "Днепроспецсталь", Карметкомбината и ОХМК показал, что возмущения наносятся, в основном, при включении и отключении одного из агрегатов. Так как каждый из них представляет собой емкость и сопротивление на участке коллектор-печь, то характер изменения давления в коллекторе соответствует экспоненциальному закону. Если принять условие, что окончание переходного процесса одного возмущающего воздействия совпадает с началом второго с обратным знаком, то из временных зависимостей получим спектр гармоник (рис.2.8). Естественно, что наиболее неблагоприятными являются колебания с максимальным периодом, которые приближаются по частоте к рабочим значениям. При совпадении частот управления и возмущающих воздействий по абсолютному значению, но действую щих в противофазе при равенстве амплитуд, возможно сохранение обычного режима работы. В этом случае, несмотря на наличие цикличных управляющих воздействий, расход компонентов горения на горелку не изменяется. С целью исключения рассмотренных явлений верхний предел рабочих частот необходимо ограничивать по периоду случайных колебанийгде %п - период колебаний.
Расчеты, выполненные на основе экспериментальных данных, показали, что длительность периода случайных колебаний составляет, в основном, 20-60 с. Верхний предел частот, ограничивающих рабо-чую область по топливу, составляет СО = 0,1 - I с . По вентиляторному воздуху значения (Л имеют тот же порядок, что и по топливу, а для кислородных линий - на порядок выше.
Нижний предел частот, ограничивающих область квазистационарных условий нагрева, зависит от теплового потока греющей среды на металл, теплофизических свойств металла, а также допустимых значений амплитуды колебаний температуры поверхности металла Нп . При нагреве тонких тел металл , независимо от формы и массы, представляет собой одноемкостное звено, поэтому динамика изменения его температуры может быть представлена следующим дифференциальным уравнением:
Тепломассообмен в условиях использования кислорода
Применение кислорода вызывает изменение состава продуктов сгорания, их температуры, длины видимой зоны факела [47, 117] , что вместе взятое обуславливает перераспределение полей температур и концентраций компонентов газовой среды и, соответственно, условий тепломассообмена.
Если рассматривать перенос тепла параллельно поверхности нагреваемого тела только за счет теплопроводности и конвекции [42] , то плотность теплового потока в этом направлении описывается выражениемгде Р Лг - соответственно, плотность и теплопроводностьгазовой среды; Lp - удельная теплоемкость при постоянном давлении; Wj - составляющая компонента скорости потока в направлении координаты X. Одновременно происходит перенос тепла между частицами газов излучением. Если рассмотреть его между равными объемами газовой среды через общую поверхность, то на основе закона сохранения энергии можно определить количество тепла, переданного от более к менее нагретому газугде Ч паЭ» Ч Ц соответственно» падающий, отраженныйи пропущенный потоки лучистой энергии. Интенсивность массопередачи зависит от разности парциальных плотностей компонентов смеси в рассматриваемых объемах газовой среды [42]где Ji - коэффициент массоотдачи;/О. /О - парциальная плотность компонента смеси в соседних объемах.
Эффективная работа нагревательных печей может быть обеспечена при равномерном удельном теплосодержании и составе газовой среды над поверхностью нагреваемого металла, т.е. при выполнении условий
Наличие факела в рабочем пространстве печи способствует появлению градиента температур и концентраций: чем длиннее факел, тем больше неравномерность указанных параметров. Поэтому необходимо обеспечивать условия сжигания в коротком факеле, при котором процесс горения заканчивается на участке, удаленном от поверхности нагреваемого металла. Для оценки условий массо- и теплообмена при использовании кислорода выполнены исследования на огневом стенде и нагревательных колодцах различных заводов[100,119] . Как показали эти исследования, при обогащении воздуха кислородом изменяются не только абсолютные температуры факела, но и характер их распределения. Сжигание 10-16 м3/ч при-роднодоменной смеси теплотворной способностью 6,7 МДж/м3 на щелевой горелке в условиях стенда при обогащении воздуха до 30% обеспечивает повышение температуры в области максимальных значений на 90-120С.
На рис.3.6 показаны зависимости длины факела от степени обогащения воздуха при различных расходах топлива. При обогащении воздуха до 30% [)г длина видимой зоны факела сокращается на 4-6%, при обогащении до 35% 02 - на 9-12%. Изменение длины факела при предварительном смешении с воздухом и тангенциальном вводе в вертикальный канал [120-122] практически одинаково. Менее существенное влияние тангенциальной подачи 0« на изменение длины факела при малых расходах топлива (зависимости 1,2 - пунктир ные линии) объясняется воздействием кинетической энергии струи кислорода на корневую часть факела, вызывающим его отрыв от устья горелки. Это явление обнаружено только на модели, так как компоненты горения не подогревались.
Выполнены на огневом стенде также исследования по определению положения центра факела (области с максимальной температурой) при обогащении воздуха кислородом. Как видно из рис.3.7а, повышение содержания 0г в пределах от 21 до 31% приводит к смещению центра факела к горелке на 25%.
На рис.3.76 показана зависимость длины факела от расхода кислорода при предварительном его смешении с газообразным топливом на рекуперативных нагревательных колодцах с центральной горелкой. В колодец подавали 1000 м3/ч коксового газа и 4000 м3/ч вентиляторного воздуха. При подаче кислорода, соответственно, снижали расход воздуха. Измерение длины факела осуществлялось при открытой крышке колодца. Из рис.3.76 видно, что предварительное смешение кислорода с топливом более эффективно, так,при подаче300 м3/ч 0 о, т.е. степени обогащения 26,5%, сокращение длиныфакела составляет 50%.
Влияние подачи кислорода на распределение температуры по длине факела определяли также на рекуперативных нагревательных колодцах Шдановского металлургического завода им.Ильича по разности показаний датчика температуры, установленного в верхней части колодца, и термопары, установленной на высоте 800 мм от пода. Изменение перепада температур по высоте колодца при периодической подаче 200 м3/ч U и постоянном давлении под крышкой, равном +10 Па, показано на рис.3.8. Как видно, скорость снижения разности температур в первом периоде нагрева значительно выше при обогащении воздуха кислородом. Так, при первом вклю
Определение параметров нагрева металла
Представленная модель может быть использована для исследования на ЭШ различных камерных нагревательных печей. В каждом случае необходимо изменение входных конструктивных параметров, размеров и температуры нагреваемых изделий, вида топлива, режима отопления и т.д. Так как рекуперативные нагревательные колодцы с центральной горелкой представляют собой печной агрегат, работающий в наиболее сложных условиях - с переменными и неконтролируемыми потерями воздуха в рекуператорах, исследование их работы позволяет получить обширную информацию о влиянии различных возмущающих воздействий на параметры нагрева металла. Выбор данного объекта для теоретических исследований определен также объемом внедрения кислорода, что позволяет осуществить объективную оценку результатов моделирования экспериментальными исследованиями.
Рабочее пространство колодца разбито на 60 зон, а по высоте слитков - на 10, рис.4.I. Так как температура рабочего пространства по высоте значительно изменяется, то в каждой зоне по горизонту на каждом расчетном шаге определяется (о или (э , о к, 8Г в зависимости от действительной температуры факела в каждой зоне и состава газовой среды, а к и от С0р , jl , " р . Изменение м принято в пределах 0,6-0,9. Температура по высоте колодца определяется по формуле, полученной обработкой экспери где tr - действительная средняя температура горения, определяется по (4.8) на каждом расчетном шаге;_ тазеL p - максимальная длина факела, соответствует высотеколодца; 21 - содержание кислорода в воздухе;Q. - постоянный коэффициент, определяется по экспериментальным данным для каждого типа и условий работы нагревательных колодцев.
Выполнение расчетов нагрева слитков и определение теплотехнических параметров на ЭШ осуществляется по программе, блок-схема которой представлена на рис.4.2. В блок I вводятся исходные данные по размерам рабочего пространства и слитков, количеству слитков, марке стали, составе топлива, параметрам рекуператора, температуре выдержки металла, теплофизическим свойствам металла и газовой среды, селективным свойствам газов, тепловой мощности колодца, степени обогащения воздуха кислородом и постоянные коэффициенты.
Расчет неизменных по ходу нагрева параметров - веса садки, угловых коэффициентов, эффективной длины луча, свободного сечения рабочего пространства и т.д. - осуществляется в блоке 2. Для определения калориметрической и действительной температуры горения топлива и объема продуктов сгорания используется блок 3. Здесь же выполняется расчет подогрева воздуха в рекуператорах.
Определение степени черноты поверхности металла и газовой среды, коэффициентов излучения и конвективной теплоотдачи, тепловых потоков в зонах, потерь тепла через кладку и с продуктами сгорания, теплопоглощение металлом, к.п.д. колодца, рекуператора и пирометрического коэффициента осуществляется в блоке 4. Расчет распределения температуры по сечению слитка в каждой зоне и сред-немассовой выполняется в блоке 5.
Информация по основным параметрам нагрева выводится блоком 5 на печать. Расчет может выполняться на заданную среднемас-совую температуру или время нагрева. Если параметр достигает заданного значения, то блок идентификации 7 подает команду на прекращение расчета.
Для расчетов использованы следующие входные информации: размер колодца 5,5x5x3 м, размер слитка 2,2x1,2x0,8 м, количество слитков 6, теплотворная способность топлива 4-Ю МДж/м3, коэффициент Qt = 30. При четном количестве слитков имеют место симметричные по условиям нагрева зоны, поэтому расчет угловых коэффициентов, определяемых по методике [7] , уменьшен до 30.
Установлено влияние степени обогащения воздуха кислородом, изменение теплотворной способности топлива, тепловой мощности и утечек воздуха в рекуператоре на распределение температур по объему слитков. Анализ зависимостей температуры поверхности и разностей температур по сечению от указанных параметров позволяет определить рациональные режимы, обеспечивающие необходимую производительность при заданном качестве нагрева.
Характер изменения температуры слитка в процессе нагрева, рис.4.3, свидетельствует о более быстром росте температуры поверхности, что при сокращении общего времени нагрева, приводит к удлинению времени выдержки.
Из анализа расчетов нагрева слитков различных марок стали следует, что для обеспечения допустимых пределов температурных1напряжений при холодном посаде и исключения оплавления окалины для применяемого на колодцах топлива с теплотворной способностью 4-Ю МДк/м3 максимальная степень обогащения воздуха кислородом не должна превышать 30-31%.
Характер изменения температуры металла позволяет определить и время отключения кислорода или снижения его расхода, а также изменение скважности импульсов при импульсном отоплении. Значения указанных параметров могут быть рассчитаны для конкретных условий, определяемых теплотворной способностью топлива, тепловой мощностью, размерами нагреваемых слитков и температурой посада, маркой стали, к.п.д. колодца и рекуператоров.
Обогащение воздуха кислородом повышает к.п.д. колодца и снижает к.п.д. рекуператора, рис.4.4. При переменных утечках воздуха к.п.д. колодца изменяется в зависимости от потерь воздуха через неплотности рекуператора. Повысить к.п.д. можно изменением соотношения расходов воздуха через керамический рекуператор и по обводному каналу в горелочное устройство.
Имеется информация о предельных значениях пирометрического коэффициента в различных конструкциях нагревательных печей [20] , но характер его изменения в процессе нагрева неизвестен. Моделированием получена зависимость пирометрического коэффициента от температуры газовой среды в рабочем пространстве колодца,рис.4.5, позволяющая определять tp при различных степенях обогащения воздуха кислородом по 6 и калориметрической температуре горения топлива.
Таким образом, разработанная модель позволяет установить основные технологические параметры процесса нагрева при использовании кислорода, а также получить информацию об изменении теплотехнических характеристик исследуемых способов отопления.Модель позволяет выбрать рациональные режимы нагрева при лга
