Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния и тепловая работа дсп литейного класса 8
1.1. Современное состояние развития дуговых сталеплавильных печей 8
1.2. Особенности энергетики ДСП, энергетические балансы, методы анализа и оптимизации режимов 11
1.3. Простои в ДСП 15
1.4. Тепловые исследования ДСП 20
1.5. Исследования КПД дуг ДСП 26
1.6. Задачи исследований 27
2. Методика исследования тепловых режимов ДСП 30
2.1. Методика тепловых экспериментов на ДСП-6 30
2.2. Математические модели теплообмена в ДСП 34
3. Анализ теплового состояния футеровки дсп в квазистлционарнои плавке 45
3.1. Температура отдельных точек футеровки 45
3.2. Температурные поля в футеровке 48
3.3. Тепловые потоки в футеровке 55
3.4. Тепловые слои футеровки 59
3.5. Волновые процессы в футеровке ДСП 62
3.6. Исследование изменения энтальпии футеровки 67
4. Исследование взаимодействия дуги и футеровки ДСП 75
4.1. Математическая модель теплообмена дуг, футеровки ДСП и окружающей среды 75
4.2. Исследование тепловых потерь ДСП 87
4.3. Рабочие характеристики ДСП 93
5. Исследование влияния холодных и горячих простоев на энергетику дсп литейного класса 108
5.1. Температура отдельных точек футеровки 108
5.2. Температурные поля футеровки в длительный простой 112
5.3. Энтальпия футеровки в простоях 114
5.4. Анализ энергетических ущербов ДСП 117
Заключение 124
Список литературы 126
- Особенности энергетики ДСП, энергетические балансы, методы анализа и оптимизации режимов
- Математические модели теплообмена в ДСП
- Температурные поля в футеровке
- Исследование тепловых потерь ДСП
Введение к работе
Актуальность проблемы. Дуговая сталеплавильная печь (ДСП) является одним из основных агрегатов для производства жидкого металла. В последние 50-60 лет наблюдается большой прогресс в области электропечной металлургии. Развитие печей происходит, в основном, за счет создания большегрузных печей сверхвысокой мощности для металлургического производства. Отличительной их особенностью является наличие в футеровке стен и свода водоохлаждаемых элементов футеровки. Однако печам литейного класса (емкостью 3-40 т, сливающим в заливочный ковш) с керамической футеровкой уделяется недостаточное внимание. Массовое их распространение и использование требует уточненного подхода к анализу энергетических характеристик с целью оптимизации процесса производства металла и снижения энергопотребления.
Исследования тепловой работы ДСП проводились В.Е Швабе, СИ Тельным, Н.В. Окороковым, А.Н. Соколовым, В.Д. Смоляренко, Л.Е. Никольским, Ю.Н. Тулуевским, А.В. Егоровым, И.И. Игнатовым, А.Н. Макаровым и др., однако вопросы эффективной работы ДСП литейного класса изучены недостаточно полно. Главным атрибутом литейной печи является керамическая футеровка, которая характеризует основные отличия и особенности по сравнению с мощными и сверхмощными большегрузными печами.
Основным инструментом анализа эффективности работы ДСП является энергетический баланс. При составлении энергетического баланса ДСП потерями на изменение энтальпии футеровки пренебрегают. В то же время при составлении энергетического баланса за отдельные периоды плавки необходимым является не только учет тепловых потерь, но и потерь на изменение энтальпии футеровки, учет подогрева шихты теплом футеровки.
ДСП являются периодическим агрегатами, следовательно, неизбежны энергетические потери вследствие простоев, в большей мере выраженных на литейных печах. Устоявшееся мнение о необходимости отключения печей в периоды максимума нагрузки не подкреплено исследованиями потерь энтальпии футеровки, а в некоторых случаях и потерь энтальпии жидкого металла.
Распространенным методом оптимизации режимов является метод рабочих характеристик, которому присущ существенный недостаток - допущение о независимости тепловых потерь от режима печи, что не соответствует действительности на литейных печах. В качестве тепловых потерь в футеровку необходимо учитывать тепловые потери на изменение энтальпии и тепловые потери с поверхности футеровки.
В математических моделях теплообмена в ДСП указанных выше авторов не рассмотрены вопросы анализа теплообмена между дугами и футеровкой с учетом теплопередачи через футеровку.
-5-Таким образом, вопросы тепловой работы футеровки литейных печей, её влияние на тепловые потери и энергетическую эффективность изучены недостаточно полно.
Цель работы: исследование особенностей тепловой работы литейных печей в ходе плавок, при простоях и анализ их влияния на энергетические характеристики для оптимизации работы ДСП.
Положения, выносимые на защиту.
Результаты экспериментальных исследований трехмерных тепловых полей футеровки ДСП в различные периоды плавки и во время простоев, которые позволили получить характер изменения энтальпии футеровки ДСП и её влияние на энергетику и технологию плавки.
Методика расчета безвозвратных тепловых потерь через футеровку ДСП.
Математическая модель теплообмена в ДСП между дугами, футеровкой и окружающей средой, на базе которой построены рабочие характеристики с учетом зависимости тепловых потерь от тока.
Энергетические ущербы ДСП в холодных и горячих простоях.
Научная новизна.
Впервые экспериментально были получены трехмерные поля температур и тепловых потоков в течение плавок и в простоях, позволяющие анализировать закономерности тепловой работы ДСП литейного класса.
Введены понятия динамического слоя с переменным тепловым полем в ходе плавки и квазистатического слоя, изменение теплового поля в котором в течение плавки незначительно.
На базе экспериментальных исследований впервые количественно определены характеристики волновых тепловых процессов в футеровке ДСП.
Разработана математическая модель теплообмена в ДСП между дугами, футеровкой и окружающей средой путем сопряжения задачи тепловых потоков рабочего пространства и теплопередачи через футеровку. На базе методики получена зависимость тепловых потерь дуг от тока, что позволило построить рабочие характеристики с учетом зависимости мощности тепловых потерь от тока.
Из анализа изменения энтальпии футеровки во время технологических и длительных простоев предложена методика определения энергетических ущербов в простоях различной длительности.
-6-Методы исследований и достоверность результатов. Экспериментальные исследования проводились современными методами с анализом метрологических погрешностей. При обработке результатов экспериментальных изысканий и в теоретических исследованиях широко применялись современные математические методы в сочетании с компьютерными технологиями. Достоверность полученных результатов определялась параллельными расчётами различными методами и сравнением результатов расчёта с экспериментальными данными.
Практическая ценность.
Совершенствование методик расчета ДСП литейного класса для определения их параметров и оптимизации режимов.
Анализ путей и методов снижения энергетических потерь при производственных процессах в ДСП по различным технологическим вариантам.
Использование результатов работы.
Результаты работы использованы ООО «Промтрактор-Промлит» при разработке рекомендаций по оптимизации режимов работы дуговых печей ДСП-6, которые позволили увеличить часовую производительность от 0,6 до 0,7 т/ч и снизить удельный расход электроэнергии от 94 до 108 кВт-ч/т.
Предложена методика анализа организационных мероприятий с целью минимизации энергетических ущербов.
По результатам работы усовершенствованы методики курсового и дипломного проектирования по специальности 640605 «Электротехнологические установки и системы» на кафедре Автоматизированных электротехнологических установок и систем Федерального государственного учреждения высшего профессионального образования «Чувашского государственного университета имени И.Н. Ульянова».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы обсуждались на Итоговых конференциях ЧГУ, на Международной научно-технической конференции «Проблемы энергосбережения, теплообмена в электротермических механизмах и факельных печах» (Тверь, 2001), на Поволжской научно-практической конференции «Электротехника и энергетика Поволжья на рубеже тысячелетий» (Чебоксары, 2001), 1-ой конференции молодых специалистов Чувашской республики (Чебоксары, 2003), VI-ой международной конференции "Электромеханика, электротехнологии и электроматериаловедение", МКЭЭЭ-2004 (Алушта, 2004 г.).
Публикации. Результаты работы отражены в 8 печатных трудах.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти основных глав, заключения, приложения, выполнена на 140-а страницах, содержит 68 рисунков, 15 таблиц, перечня литературы из 133 наименований.
-8-1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ И ТЕПЛОВАЯ РАБОТА ДСП ЛИТЕЙНОГО КЛАССА
Особенности энергетики ДСП, энергетические балансы, методы анализа и оптимизации режимов
Энергетический баланс ДСП необходим для оценки качества работы электротехнического и теплотехнического агрегата, определения мощности электропечного трансформатора, построения энергетического режима плавки и определения расхода электроэнергии в отдельные периоды плавки и за плавку в целом [4].
Энергетический баланс печи ДСП включает статьи расхода и прихода энергии. Расход энергии: - на расплавление и нагрев металла и шлака (полезное тепло за весь цикл плавки) WMe/, - потери тепла: а) с теплоотдающей поверхности печи WT.; б) излучением через рабочее окно W0K; в) во время простоев по причине открытого рабочего пространства печи и во время вспомо гательных операций Wnp.; г) с охлаждающей водой Wu\ Д) С ОТХОДЯЩИМИ Газами газ.пот; Є) ЗЛЄКТрИЧЄСКИЄ ПОТерИ эл.пот; ж) на изменение энтальпии футеровки AW$. Приход энергии: - электрическая энергия 1элл - тепло химических реакций, проходящих в ванне (разность тепловых эффектов экзотермических и эндотермических реакций) Wmu = 1жзГ W3im,; - физическое тепло шихтовых материалов, загружаемых в печь Wm.; - тепло дополнительных источников энергии (газокислородные горелки) WTZ.X. Уравнение энергетического баланса в общем виде для всего цикла плавки эл + хим+ ш+ газ= мс + эл.Пот+ т.+ ок + пр+ в+ газ.Пот+А ф.
В результате различных исследований [2, 5] показано, что энергия футеровки играет значительную роль в энергетическом балансе, но количественный анализ влияния тепла футеровки на нагрев шихты и расход электроэнергии отсутствует. Допущение о примерном равенстве энтальпий футеровки в начале и в конце плавки справедливо только для квазистационарных плавок - плавок с равными технологическими параметрами: мощностью, временем периодов плавки и т.д. Следовательно, при составлении энергетических балансов периода плавки (частного энергетического баланса) и при оценке энергетической эффективности в различные периоды плавки, а особенно в период расплавления как наиболее энергоемкий, необходимо учитывать изменение энтальпии футеровки.
Сопоставление энергобалансов печей разной емкости показывает, что влияние емкости на структуру энергобаланса проявляется, прежде всего, в изменении потерь теплоотдающеи поверхностью. Потери поверхностью имеют тенденцию к снижению по мере роста емкости печи. С ростом емкости печей при сохранении их удельной активной мощности наблюдается повышение теплового и общего коэффициента полезного действия установок.
В реальных условиях работы печей роль тепловых потерь теплоотдающеи поверхностью в общих тепловых потерях и затратах энергии не является ведущей. По данным [5] тепловые потери с поверхности составляют от 10 до 30% всех тепловых потерь и от 3 до 9% общих затрат энергии (меньшая цифра соответствует печам большой ёмкости и электрической мощности).
Другие составляющие теплового баланса связаны с геометрическими размерами ДСП незначительно, поскольку на печах имеется различное число водоохлаждаемых элементов, печи оборудованы разными системами газоотсоса, отличаются методы обслуживания. В частности, на 50-т [5] печи потери с газами (6,4%) меньше, чем на 20-т (7,9%) и 100-т (7-7,7%) печах. Объясняется это тем, что 50-т печь оборудована новой системой газоотсоса, которая имеет некоторые преимущества перед традиционной системой.
Проведенный анализ структуры энергобалансов периода расплавления [5J дает основание принять допущения о том, что повышение мощности трансформатора практически не меняет такие энергетические показатели, как мощность потерь с поверхности печи, удельные потери открытой печью, потери с отходящими газами, затраты тепла на расплавление и перегрев металла и шлака, приход тепла за счёт химических реакций. Такое допущение дает основание использовать энергетические балансы, снятые на печах меньшей емкости для прогнозирования работы печей при повышении мощности.
Как уже было сказано выше, энергетические балансы применяют для выбора трансформатора и электрического режима плавки. При расчёте энергетического баланса периода расплавления тепловые потери принимаются равными безвозвратным тепловым потерям, найденным для периода жидкого металла. В энергетическом балансе периода расплавления не учитывается приход тепла от футеровки и расход электроэнергии на изменение энтальпии футеровки. Наиболее актуален этот вопрос для литейных печей, так как они имеют полностью керамическую футеровку стен и пода. Необходимо комплексное исследование тепловой работы футеровки ДСП: потери тепла футеровки в простоях, влияние тепла футеровки на подогрев шихты.
Рабочее пространство ДСП состоит из ванны печи, образованной подиной и откосами, и свободного пространства, ограниченного поверхностью расплава, футеровки стен и свода.
Энергия от электрических дуг, горящих между электродами и расплавленным металлом, передаётся шихте путём излучения, конвекцией с горячими газами и испарениями, теплопроводностью от наиболее раскалённых участков металла в зоне пятна дуги, а также за счёт джоулева тепла при протекании тока через шлак и металл.
В рабочем пространстве тепло выделяется также при прохождении тока по электродам, при протекании химических реакций в металлической, шлаковой и газовых фазах. В свободном пространстве излучение открыто горящих дуг падает на поверхность расплава и внутреннюю поверхность футеровки. Часть падающей лучистой энергии поглощается этими поверхностями, остальная часть отражается обратно в свободное пространство. Отраженная энергия снова поглощается и переотражается ограничивающими поверхностями и т.д. Расплавленный металл и шлак и нагретая футеровка излучают собственную энергию, которая также поглощается и переотражается поверхностями. Перенос энергии в свободном пространстве может происходить также за счёт конденсации паров металла, шлака и графита, образовавшихся в зоне горения дуг, на более холодных участках скрапа, футеровки, электродов. Рассмотрим распределение тепловых потоков в рабочем пространстве ДСП в период жидкого металла (рисунок 1.1). На любой элемент футеровки ДСП падает плотность теплового потока излучения дуг qR. Так как поверхности футеровки не являются абсолютно чёрными, то возникаю! переотражения от поверхностей образующих рабочее пространство, что приводит к возникновению плотности отраженного q0 и падающего излучения, вызванного многократными отражениями потоков дуг qno от других поверхностей.
Математические модели теплообмена в ДСП
В ходе проведения тепловых экспериментов на печи ДСП-6 было получено большое количество температурных данных внутренних точек футеровки стен, свода и пода, температуры внутренней поверхности стен и свода, температуры внешней поверхности свода, стен и откосов. Проводился контроль температуры жидкого металла и фиксировались технологические параметры работы печи. Кроме того, анализировался характер загружаемой шихты, её масса.
Из экспериментальной кампании печи, которая составляла 23 плавки, были выделены плавки с «нормальным» (квазистационарным) режимом работы печи - №10, №11, №12; плавка с двухчасовым простоем после слива металла - №13; плавка после двухчасового простоя - №14; длительный простой печи на выходной день продолжительностью 26 часов после плавки №18; плавка после длительного простоя - №19. Под квазистационарными плавками понимаются плавки, при проведении которых энергетический и технологический режим в течение цикла плавок одинаков.
Для подробного анализа температурных данных была использована электронная таблица Microsoft Office Excel 2003. Данные температур внутренних точек футеровки считывались с диаграммной ленты прибора с интервалом 15 минут и заносились в электронную таблицу. Точность считывания информации с диаграммной ленты лежит в пределах половины цены деления считывающей линейки, что составляет 10С. Далее, проводилось совмещение температуры внешней и внутренней поверхности футеровки с температурами внутренних точек во времени. В результате совмещения были получены таблицы температур и распределения по толщине футеровки стен, свода и пода, изменение температуры по высоте стен для интересующих плавок. Получить детальное распределение по координате толщины подины не удалось, так как подина имеет большую толщину, а в ходе эксперимента в подину закладывалось только две термопары, расположение которых пришлось на слои футеровки, где температура по ходу плавки меняется незначительно.
Рассмотрим изменения температуры отдельных точек футеровки, полученные в ходе экспериментальных исследований на ДСП-6 №4 ООО «Промтрактор-Промлит». . Температура футеровки в течение квазистационарной плавки
Изменение температуры отдельных точек футеровки стены в течение плавки показано на рисунке 3.1 (а), рисунок 3.1 (б) отражает режим работы печи. Номера кривых соответствуют термопарам, указанным под полем графика. Подробное описание расположения термопар в футеровке печи в соответствии с методикой экспериментального исследования (п. 2.1.) приведено в таблице 3.2. Показаны номера термопар и их абсолютные и относительные (относительно толщины футеровки данного участка) заглубления в футеровку от внутренней поверхности. Для получения распределения температуры по толщине проводилась полиномиальная интерполяция имеющихся температурных данных. Однако, применение полиномиальной аппроксимации дает результат, приближенный к истинному в слое, где происходят постоянные изменения температур - примерно 100-150 мм от внутренней поверхности футеровки. В оставшейся части футеровки по толщине распределения температуры в течение квазистационарной плавки квазистационарно и полиномы искажают фактическое распределения температуры. На рисунке 3.3 штриховой линией показана интерполяция по полиномиальной аппроксимации в слое, где распределение температуры стационарно. На основе распределений температуры, полученных в результате эксперимента, качественно совпадающих с [5], было принято решение проводить аппроксимацию следующим образом: в слое с нестационарным распределением температуры используется полиномиальная аппроксимация, а в оставшемся слое - линейная. В результате применения такой кусочной аппроксимации при интерполяции температурных данных были получены кривые распределениям температуры по толщине более приближенные к реальным.
-Для интерполяции температуры по периметру ванны принят синусоидальный закон [111] изменения температуры на одной координате по высоте, причём участки напротив электрода соответствуют максимуму температур, а между электродами — минимуму.
Температурные поля футеровки в квазистационарной плавке
Рассмотрим изменение температурного поля футеровки в ходе квазистационарной плавки. На рисунках 3.4 и 3.5 показаны распределения температуры по толщине стены для моментов времени от 0 до 180 минут с шагом 30 минут. Предполагается, что распределения температур циклически повторяются через каждые 180 мин, т.е. плавки являются квазистационарными.
За нулевую точку по толщине при построении графиков взята внутренняя поверхность футеровки. На кривых распределения температуры маркерами показаны температуры, соответствующие экспериментальным измерениям.
Из графиков распределения температуры по толщине стен и свода (рисунок 3.6) в квазистационарном режиме печи можно заметить, что максимальные тепловые нагрузки испытывает лишь слой футеровки, равный 50-60 мм от внутреннего рабочего пространства печи. Именно в этом слое происходят значительные температурные колебания, которые максимальны на поверхности и уменьшаются при увеличении глубины. При удалении от внутренней границы футеровки более, чем на 150 мм, распределение температуры приближается к линейному. Отсюда следует, что тепловые потери печи в основном определяются периферийными слоями футеровки, а тепловое поле внутренних слоев ответственно за изменение аккумулированной в футеровке энтальпии. Изменение технологического состояния шихты и режима печи в первую очередь сказывается на внутренней части футеровки.
После включения печи на расплавление, температура первого 50-60 мм слоя футеровки падает, так как печь загружена шихтой с температурой, намного ниже температуры футеровки и на откосах, подине и нижней части стен, имеется тепловой контакт с шихтой. Происходит нагрев шихты за счёт теплоотдачи тепла внутренней поверхностью футеровки толщиной в несколько десятков миллиметров. При этом внутренняя часть футеровки, начиная с 60-70 мм от внутренней поверхности практически не чувствует столь значительного (до 1200С) температурного перепада после слива. Первые 20-30 минут, когда происходит прорезка колодцев, их расширение и расплавление верхней части шихты, температура внутри футеровки (90-150 мм) незначительно увеличивается за счёт эффекта «тепловой волны», т.е. толстая футеровки обладает инерционностью, но через некоторое время (30-40 мин) она начинает падать.
Температурные поля в футеровке
Рассмотрим алгоритм решения по предложенной математической модели. Поглощенный тепловой поток есть геометрическая сумма падающих, собственных и отраженных потоков внутренней (рабочей) поверхности футеровки (рисунок 1.1). Собственный тепловой поток внутренней поверхности есть функция температуры поверхности. С другой стороны температура поверхности определяется падающими и отраженными тепловыми потоками и распространением тепла по координате толщины стены. Распределение температуры по координате толщины футеровки зависит от граничного условия на её внешней поверхности.
Краткий алгоритм решения: 1) Задание начального условия /=/(0,х) - распределения температуры по координате толщины футеровки; 2) Расчёт внешней задачи теплообмена - определение поглощенного поверхностью футеровки теплового потока; 3) Задание поглощенного теплового потока как граничного условия второго рода для задачи внутреннего теплообмена и её решение с результатом в виде распределения температуры; 4) Сравнение полученной температуры внутренней поверхности и начального условия по абсолютной погрешности -/,_, Л, (4.31) где tj - температура, вычисленная нау-ой итерации; 5) Если условие (4.31) не выполняется, принять решение п. З в качестве начального ус ловия и провести расчёт пп. 2-4. до выполнения условия (4.31).
Таким образом, предложенная математическая модель позволяет определять результирующий тепловой поток в любой точке поверхности рабочего пространства ДСП от трех прямых дуг или трех дуг с наклоном с учетом теплопередачи через футеровку. Методика позволяет учесть переотражения потоков, поглощение пылегазовой средой, коническую форму рабочего пространства, косой срез рабочего торца электрода, экранирование излучения мениском металла и шлака и торцом электрода, несимметричный режим работы по фазам и т.д.
По предложенной методике теплообмена в ДСП был создан комплекс программ расчёта в системе MatLab 6.0, позволяющих моделировать тепловые процессы в ДСП. Распределение плотности теплового потока по высоте стен
Для возможности сравнения расчетных данных с экспериментальными проведём расчёт распределения плотности поглощенного теплового потока по высоте стены ДСП-6 в период жидкого металла, соответствующий окончанию подпериода восстановления плавки чугуна, при следующих условиях и допущениях: - трансформатор ЭТЦПК-6300/10-72; - электрический режим: ток равен номинальному, h =8200 А, напряжение соответствует линейному напряжению 6-ой ступени напряжения трансформатора Ui= 250 В; - симметричный режим распределения мощности по фазам; - активные и реактивные сопротивления печной установки выбраны с учетом электрического режима: г=1.68 мОм, х=7.71мОм; - все геометрические размеры печи соответствуют размерам действующей ДСП-6 ООО «Промтрактор-Промлит»; - наклон дуг от вертикального положения в сторону футеровки по радиусу печи, проходящему через центр электрода, уточнен для ДСП-6 и соответствует среднему углу кривой профиля стелящейся дуги, полученной в работах аспиранта ЧГУ Михадарова Д. Г. и проф. Миронова Ю.М., 0-32 и [3]; - боковая поверхность электрода не вносит существенных изменений в распределение потоков излучения, так как диаметр электрода много меньше диаметра печного пространства; - угол нижнего среза электрода у=\ 1 [3]; - коэффициент поглощения газопылевой среды рабочего пространства ДСП кп =0.5 м"1 из рекомендаций [1 ] для периода жидкого металла;
Так как принято допущение о симметричности выделения мощности в дугах, то для исследования излучения от каждой дуги проведем расчёт для точек угла 30 по высоте (рисунок 4.8, 4.4), отражающего разные расстояния от дуг, а, следовательно, и потоки.
На рисунке 4.9 показаны распределения плотности потока падающего излучения от вертикальных дуг по высоте для различных фаз, а также видимая длина дуги от высоты расположения расчётной точки по высоте стен.
Значения плотности теплового потока для среднего и верхнего пояса стен уходят в отрицательные значения - якобы стенка не поглощает, а отдает тепло. Налицо явное отличие значений плотностей теплового потока от экспериментальных данных в период жидкого металла.
В результате расчёта задачи сопряженного теплообмена в рабочем пространстве и в футеровке печи были получены зависимости плотности поглощенного теплового потока от координаты высоты стен. Так как при расчёте определялась температура поверхности, то было получено её изменение по координате высоты стен, характер которого использовался при определении энтальпии футеровки.
На рисунке 4.12 показано распределение плотности поглощенного футеровкой теплового потока по высоте стенки. В нижнем поясе стен поглощенный тепловой поток футеровкой почти в два раза меньше суммарного потока от дуг, а в верхнем поясе заметно превышает поток от дуг. Связано это с излучением газа, переотражениями потоков в рабочем пространстве и уменьшением температура поверхности стенки по её высоте. Поглощенный тепловой поток на участках нижнего пояса стен у электродов больше потока, чем на участках между электродами, вследствие непосредственной близости дуги. Значительная плотность поглощенного теплового потока в нижнем поясе доказывает максимальный износ футеровки этого участка. Сходство с результатами экспериментальных исследований (маркеры) подтверждает адекватность математической модели.
Исследование тепловых потерь ДСП
Цех ЛЦ-2 ООО «Промтрактор-Промлит» работает при 5-дневной рабочей неделе с двумя выходными. В результате в неделю печи простаивают в длительном холодном простое около 28 часов. При этом происходит остывание печей с потерей энтальпии футеровки, восполнение которой происходит в течение почти всей следующей недели.
Рассчитаем снижения технико-экономических показателей печи по сравнению с непрерывным графиком работы цеха. При простое в течение 28 часов футеровка печи, выплавляющей чугун, теряет почти 70% запасенной энергии (рисунок 5.12). Для восполнения ее в последующие плавки необходимо будет затратить 4030 кВт-ч., что составляет в месяц 16118 кВт-ч или 2,5 % всего расхода электроэнергии печью за месяц.
Одновременно с потерей 12 рабочих смен в месяц происходит недовыпуск металла в размере 13 %.
Энергетические ущербы в ограничениях электроснабжения Проанализируем показатели плавок с непрерывной работой и работой с отключением на время ограничений. Данные времени периода г, удельного расхода электроэнергии соответствующего периода со и производительности g представлены в таблицах 5.4 и 5.5.
Обращает внимание уменьшенное время расплавления и меньший при этом расход электроэнергии плавки после длительного простоя, так как шихта на начало периода расплавления была нагрета теплом остывающей футеровки, но время цикла (от слива металла предыдущей плавки до включения последующей), конечно, оказалось больше и имеется увеличенный расход электроэнергии за цикл плавки, идущий на покрытие потерянной во время простоя энтальпии футеровки.
Кроме того, более чем на 27% дополнительно уменьшается производительность печи. Аналогичная картина наблюдается и на печи № 6, на которой снижение производительности превышает 17 %.
Полученные результаты дают возможность планировать работу плавильного отделения в часы ограничения электроснабжения с учетом реальной программы выплавки металла, базируясь на минимизации экономических потерь.
Рассмотрим ущербы, которые возникают при остановке на время ограничения одной печи, плавящей чугун. Отключение печи приводит к потере запасенной энтальпии печи, которую необходимо восполнять на следующих плавках. Необходимый дополнительный расход электроэнергии составляет при двухчасовом простое в утреннее ограничение 990 кВт-ч и в трехчасовой вечерний простой - 1900 кВт-ч, всего 2890 кВт-ч. При 20 рабочих сутках в месяц эта дополнительная электроэнергия составляет 57800 кВт-ч.
За время простоев происходит недовыпуск металла порядка 240 т в месяц, на выплавку которого не нужно тратить 180720 кВт-ч. В результате «экономия» электроэнергии составляет 122920 кВт-ч.
Недовыпуск металла вызывает снижение производительности печи в размере 19 %. Данный расчет дает несколько заниженную оценку ущерба. Во-первых, простои несколько больше 6 часов в сутки, что связано с несовпадением технологического цикла рабо ты печей с графиком ограничений. Во-вторых, значительный простой печи во время ограничения изменяет ход процесса плавления металла на плавках после прохождения ограничения.
Выводы по главе.
1. Исследованы температурные поля в футеровке ДСП в длительные простои. Опреде лено, что за 26 часов происходит практически полное остывание футеровки стен и свода. Температура середины футеровки свода по толщине падает до 30С, а стен - до 60С. Ко нечная температура середины подины по толщине достигает лишь 350С.
2. Рассчитано изменение энтальпии в течение холодного простоя. За время длительного простоя футеровка свода и стен полностью теряет энтальпию, подина - примерно половину энтальпии на момент слива металла последней плавки. За 26 часов происходит потеря 2861 кВт-ч энергии энтальпии футеровки ДСП-6. В плавках после длительного простоя для восполнения энтальпии футеровки необходимо будет затратить 5722 кВтч энергии, что примерно равно расходу электроэнергии за одну дополнительную плавку.
3. Исследовано взаимодействие между шихтой и футеровкой в холодном простое. Показано, что за время трехчасового простоя происходит подогрев шихты на 120 кВт-ч/т, что равноценно сбережению электроэнергии на 6 % за полный цикл плавки.
4. Определены энергетические ущербы в холодных и горячих простоях. Уменьшение длительности простоев с существующих в цехе ЛЦ-2 ООО «Промтрактор-Промлит» до минимальных позволяет сэкономить до 327 кВт-ч за плавку.
5. Для восполнения потерь энтальпии футеровки в длительный простой в последующие плавки необходимо затратить 4029 кВт-ч., что составляет в месяц 16118 кВт-ч или 2,5 % всего расхода электроэнергии печью за месяц.. Одновременно с потерей 12 рабочих смен в месяц происходит недовыпуск металла в размере 13%.
6. Установлено, что дополнительный расход электроэнергии при двухчасовом простое в утреннее ограничение достигает 990 кВт-ч и в четырехчасовой в вечерний простой - 1900 кВт-ч, всего - до 2890 кВт-ч. При 20 рабочих сутках в месяц дополнительный расход электроэнергия составит 57800 кВт-ч. Недовыпуск металла вызывает снижение произво дительности печи в размере 19 %.
