рефераты бесплатно
 

МЕНЮ


Исследование методов охлаждения садки колпаковой печи с помощью математического моделирования

проходящего через зазор между муфелем и кожухом и можно увеличить скорость,

не увеличивая потерь на гидравлическое сопротивление системы, то есть при

том же вентиляторе можно уменьшить зазор между муфелем и кожухом и

увеличить теплообмен за счет конвекции и теплопроводности газового зазора.

Вследствие того, что путь движения воздуха меньше, он не нагревается до

температуры муфеля, что имеет место в существующих колпаках воздушного

охлаждения, и в свою очередь не нагревает внутреннюю поверхность кожуха

охлаждающего устройства до температуры муфеля, что исключает возможность

образования двух параллельных поверхностей с одинаковой температурой, и

обеспечивает теплообмен излучением от муфеля к кожуху, что значительно

повышает скорость охлаждения садки. Высота расположения патрубков

вентиляторов выбирается в зависимости от садки и диаметра рулонов, таким

образом, чтобы температура воздуха, покидающего кольцевой зазор, не была

равной температуре муфеля, что имеет место в области от 1/3 до 2/3 высоты

муфеля. К достоинству данной конструкции охлаждающего устройства следует

также отнести и то, что нагретый воздух выбрасывается на большем расстоянии

от крановщиков, что улучшает условия их труда.

Рассмотрим развертку внутренней поверхности кожуха охлаждающего устройства,

обеспечивающего равномерное заполнение движущимся воздухом кольцевого

зазора. На внутренней поверхности кожуха приварены ребра высотой 1/3-2/3

величины зазора. Они расположены равномерно с разбивкой по окружности на

интервалы 15-30 0, причем начало и окончание каждого ребра смещены

относительно друг друга на 60-90 0, а окончание не доходит до уровня

отверстий отводящих патрубков на 50-500 мм.

Преимущества данного устройства заключаются в следующем. Воздух по

кольцевым зазорам движется не сразу к патрубкам, а вынужден более

равномерно заполнить кольцевой зазор, причем приваренные ребра удлиняют его

путь, что также приводит к улучшению процесса теплообмена между муфелем и

охлаждающем его воздухом.

Так же следует рассмотреть развертку внутренней поверхности кожуха

охлаждающего устройства, обеспечивающей интенсификацию теплообмена на его

поверхности. К поверхности кожуха сверху и снизу отводящих отверстий

приварены по два ряда ребер - верхний и нижний, расположенных симметрично

по оси отверстий патрубков один над другим на расстоянии друг от друга и от

края кожух равном 1/10 высоты муфеля. Каждое ребро состоит из двух

отрезков, образующих между собой угол 120-150 0, причем длина нижнего

отрезка составляет 0,5-0,7 длины 1/4 окружности муфеля, а отрезки верхнего

ряда в два раза короче.

Преимущество данного устройства заключается в том, что оно обеспечивает

турбулизацию воздушного потока внутри зазора между муфелем и кожухом, что

приводит к увеличению интенсивности теплообмена и ускорению процесса

охлаждения садки.

Указанные преимущества способа охлаждения металла в колпаковой печи и

устройств его реализующих позволят сократить длительность периода

охлаждения, повысить производительность одного стенда, сократить расход

электроэнергии и защитного газа.

Изучение и анализ информации источников позволяет сделать вывод о

возможности ускорения процесса охлаждения садки с небольшими

конструктивными изменениями - является целесообразным изучить возможность

охлаждения садки эжекторным воздухом, который в период охлаждения не

используется на данном стенде.

Этот метод был опробован на трехстопной колпаковой печи в ЛПЦ-5 ММК. Схема

трехстопной колпаковой печи приведена на рис. 3.

Схема струйного охлаждения садки трехстопной колпаковой печи

[pic]

Рис. 3

Использование упрощенного устройства струйного охлаждения при отжиге с

обычными конвективными кольцами (КК) длительность периода охлаждения

сократилась с 53,8 до 45,7 часов (12,3 %), а при охлаждении садки, в

которой одно нижнее конвекторное кольцо заменено РКК, длительность

охлаждения понизилась с 48,7 до 41,3 часов (18,38 %).

Применение РКК (радиационно-конвективных колец) привело к значительному

выравниванию перепада температур по садке: он уменьшился с 55 0С до 40 0С,

что обеспечивает лучшую равномерность механических свойств готовой жести.

На рис. 4 представлены результаты изучения эффекта от использования

упрощенного устройства колпака струйного охлаждения (КСО) и радиационно-

конвективных колец (РКК).

Указанные результаты достигаются вследствие следующих новых технических

решений:

Радиационно-конвективных конвекторных колей новой конструкции.

Системы струйной обдувки муфеля.

Результаты экспериментального исследования КСО и РКК

[pic]

[pic]

1 - длительность охлаждения tохл=180 0С ; 2 - длительность охлаждения

tн=580 0С;

3 - длительность охлаждения tв=660 0С.

Рис. 4

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1. Методика исследований

Современные исследования тепловых агрегатов напрямую связаны с

использованием математических моделей. Это объясняется сложностью и

нестабильностью процессов, происходящих в печах. Математическая модель,

если она достаточно адекватно описывает поставленную задачу, позволяет

исследователю проанализировать влияние различных факторов на те или иные

параметры, получить достоверные денные, на основании которых можно сделать

выводы и в конечном итоге дать конкретные рекомендации.

Это существенно ускоряет и удешевляет процесс исследования, а в ряде

случаев позволяет изучить процессы, ранее недоступные. Для исследования

процессов теплообмена в колпаковых печах создана математическая модель,

включающая в себя ряд уравнений с граничными условиями, описывающих эти

процессы с определенными допущениями. Корректность математической модели

определяется обоснованностью принятых при ее разработке допущений и

правильностью ее адаптации к реальным условиям. В задачу данной работы и

входит выполнение процесса привязки модели к конкретным условиям работы

относительно АО «ММК».

2.1.1. Описание исследуемого объекта.

Используемая в дипломной работе математическая модель тепловой работы

колпаковой печи была разработана на кафедре ТЭМП Московского

государственного института стали и сплавов (Технологического университета)

профессором кафедры Мастрюковым Б.С. и доцентом Гусевым Е.В. и опробована в

условиях КарМК (Карагандинского металлургического комбината)./ /

Цель данной работы: выявить возможность применения данной модели к условиям

работы Магнитогорского металлургического комбината, в частности, ЛПЦ-5.

При разработке математической модели колпаковой печи приняты следующие

допущения:

Все температурные поля в печи имеют осевую симметрию.

Температурное поле рулонов принято двухмерным.

Температурное поле футеровки рассчитывается как температурное поле пластины

и является одномерным.

Муфель является термически тонким телом.

Излучение и отражение поверхностных зон внешнего контура является

изотропным.

Излучение и поглощение внутренней поверхности футеровки колпака и наружной

поверхности муфеля не является селективной, то есть ((f(().

Защитный газ лучепрозрачен.

Топливовоздушная смесь сгорает мгновенно и пространство между колпаком и

муфелем заполнено продуктами сгорания.

Условные замыкающиеся поверхности.

Математическая модель включает в себя уравнения теплового баланса элементов

печи, а также уравнения теплообмена и теплопередачи с соответствующими

граничными условиями. В данной модели принят зональный метод расчета, при

котором все рабочее пространство печи разбивается на зоны. В пределах

каждой зоны температура и теплофизические параметры остаются постоянными.

Цикл термообработки в колпаковых печах состоит из нагрева, выдержки и

охлаждения. Теплообмен печи во всех трех периодах описывается одними и теми

же уравнениями, только для периода охлаждения, когда снимают колпак, расчет

теплообмена во внешнем контуре заменяется расчетом теплообмена с окружающей

средой.

Во внутреннем контуре теплоперенос осуществляется излучением от муфеля к

рулонам, а также конвекцией к защитному газу и от защитного газа к рулонам.

Таким образом, в математическую модель теплообмена в этом контуре вошли

уравнения теплопереноса теплопроводностью в рулоне, уравнения переноса

тепла излучением в лучепрозрачной среде, а также уравнения теплового

баланса защитного газа.

Математическая модель позволяет определять температурные поля садки,

футеровки, муфеля, а также температуры продуктов сгорания и защитного газа

в зависимости от изменения различных режимных параметров, как то: расход

топлива, его калорийность, массивность садки и прочее. Кроме того, в модель

входит блок управления печью с помощью которого можно задавать различные

расходы газа на нагреве и выдержке, изменять вид регулирования как в период

нагрева, так и в период выдержки.

В начальный момент времени имеются все температурные поля элементов печи:

футеровки, муфеля, садки, защитного газа.

Рассчитываем геометрические угловые коэффициенты излучения в наружном и во

внутреннем контурах теплообмена.

Производим расчет горения газа.

Рассчитываем теплообмен в наружном контуре:

По известным температурам продуктов сгорания находим скорость их движения в

пространстве между муфелем и колпаком.

Рассчитываем коэффициенты теплоотдачи конвекцией от продуктов сгорания к

муфелю и футеровке, а также от наружной поверхности колпака в окружающую

среду.

Вычисляем радиационные характеристики продуктов сгорания Апс и (пс.

Рассчитываем и нормируем матрицы обобщенных и обобщенных разрешающих

коэффициентов излучения.

По формулам:

[pic][pic],

(1)[pic][pic]

где m - количество расчетных зон, принимающих участие

в теплообмене излучением с зоной «i»;

(к - степень черноты зоны «к»;

Тк - температура зоны «к»;

(i, k - обобщенный разрешающий угловой коэффициент

и

[pic],[pic]

(2)

где (0 - постоянная Стефана-Больцмана;

А1 - поглощательная способность зоны «i»;

(0 = 5,67 * 10-8 Вт/м2К4;

находим коэффициенты теплоотдачи излучением и яркостные температуры для

всех расчетных зон контура.

Расчет температур продуктов сгорания на новом временном шаге производим при

помощи теплового баланса.

Решая дифференциальное уравнение теплопроводности для каждой расчетной зоны

футеровки колпака, находим температурное поле кладки на последующем шаге по

времени.

На выходе из расчета теплообмена в наружном контуре имеем новые значения

температур футеровки и продуктов сгорания, а также коэффициенты теплоотдачи

излучением и конвекцией и яркостные температуры для расчетных зон на

наружной поверхности муфеля.

Рассчитываем теплообмен во внутреннем контуре:

По известным температурам муфеля и рулонов находим степени черноты и

поглощательные способности для всех поверхностных расчетных зон контура.

Рассчитываем и нормируем матрицу угловых коэффициентов излучения.

Вычисляем коэффициенты теплоотдачи излучением и конвекцией, а также

яркостные температуры для всех расчетных зон контура.

Рассчитываем тепловой баланс защитного газа на всех участках его циркуляции

и находим температуры объемных зон.

Решая уравнение теплопроводности для рулонов, находим температурное поле

садки на последующем шаге по времени.

Из теплового баланса дисков конвекторного кольца получаем их температуры на

новом шаге по времени.

В результате расчета теплообмена во внутреннем контуре получаем температуры

рулонов и защитного газа на последующем шаге по времени, а также

коэффициенты теплоотдачи конвекцией и излучением и яркостные температуры

для расчетных зон на внутренней поверхности муфеля.

Находим температуру муфеля на новом шаге по времени путем расчета его

теплового баланса.

По формулам

[pic],

(3)

где Тф - температура футеровки, К;

Тпс - температура продуктов сгорания, К;

Тм - температура муфеля, К;

а1, а2, а3 - эмпирические коэффициенты;

и

[pic]

(4)

где Тр - температура боковой поверхности

нижнего рулона, К;

Тэг - температура защитного газа на выходе из

диффузора направляющего аппарата

стенда, К;

в1, в2, в3, в4 - эмпирические коэффициенты;

(м(мсм(Тм)(((Тм/(()=(лс(Тпс-Тм)+(зг(Тзг-Тм)+(изл.,внут.((Тизл.,внут.-

Тм)+(изл.,нар.((Тизл.,нар.-Тм) (5)

Проверяем условие:

[pic],

(6)

где В - расход топлива, м3/с;

Тст - температура стендовой термопары,

К;

Тзт - температура зональной термопары,

К;

Тзадст , Тзадзт - задание по стендовой и зональной

термопары,

и определяем расход топлива на новом шаге по времени:

Если расход топлива изменился по сравнению с предыдущим шагом по времени,

то продолжаем расчет с п.3, если нет - с п.4.

Окончание расчета - по достижении заданного времени отжига. Технологический

режим ведется путем установления закона изменения во времени заданий

зональной и стендовой термопар:

Тзадст=f(() и Тзадзон=f(().

Данная математическая модель, как указывалось выше, была адаптирована для

КП КарМК в данном исследовании проведена адаптация к условиям работы КП ЛПЦ-

5 ММК.

Адаптация математической модели тепловой работы колпаковой печи

При адаптации математической модели к условиям ЛПЦ-5 ММК были приняты

следующие значения основных параметров, влияющих на длительность и качество

отжига в колпаковой печи. Эти значения приведены в табл. 8 -17.

Таблица 8

Данные по конструкции печи

|Колпак |Муфель |Внутренний |

|Высота от |Внутренний |Высота от |Толщина, |Внутренний |радиус |

|стенда, мм |радиус, мм |стенда, мм |мм |радиус, мм |рулонов, мм|

|5735 |1605 |5400 |0.800 |1150 |800 |

Таблица 9

Футеровка колпака

|Толщина свода печи, |Толщина боковых стен, |Толщина горелочного |

|мм |мм |пояса, мм |

|130 |135 |230 |

Таблица 10

Циркуляция в колпаковой печи

|Производительность ЦВ, тыс. |Время |Время |Объем |

|м3/ч | | | |

|продувка |отжиг |продувки N2, ч|продувки Н2, ч|продувки, N2, |

| | | | |м3/ч |

|14,000 |12,000 |2,000 |2,000 |23,000 |

Таблица 11

Отопление в колпаковой печи

|Максимум |Минимум |Температура |

|Расход газа, |Коэффициент |Расход газа, |Коэффициент |подогрева |

|м3/ч |расхода |м3/ч |расхода |воздуха, 0С |

| |воздуха | |воздуха | |

|144,000 |1,100 |20,000 |1,300 |20 |

Таблица 12

Холодильники в колпаковой печи

|Площадь |Средний |Температура |Расход |Место выдачи |

|поверхности |коэффициент |охлаждающей |охлаждающей |газа из |

|теплообмена, |теплопередачи,|воды, |воды, |холодильника |

|м2 | |0С |м3/с | |

| |Вт/(м2К) | | | |

|55,000 |20,000 |20,000 |1,800 |к муфелю |

Таблица 13

Состав природного газа, %

|СО2 |N2 |H2O |CO |H2 |H2S |CH4 |C2H6|C3H8|C4H1|C5H1|O2 |C2H2|

| | | | | | | | | |0 |2 | | |

|0,00|2,00|0,00|0,00|0,00|0,00|97,6|0,40|0,00|0,00|0,00|0,00|0,00|

|0 |0 |0 |0 |0 |0 | |0 |0 |0 |0 |0 |0 |

Таблица 14

Режим отжига в колпаковой печи

|Началь|Первая |Скорос|Вторая |Услови|Темпер|Время |Темпер|

|ный |выдержка |ть |выдержка |я |а-тура|просто|атура |

|период| |подъем| |оконча|оконча|я под |распак|

|(задан| |а на | |ния |ния |горячи|овки |

|ие): | |вторую| |отжига|отжига|м | |

|колпак| |ступен| |, | |колпак| |

| | |ь, | |время |(по |ом | |

| | |0С/час| |или |холодн| | |

| | | | |темпер|ой | | |

| | | | |а-тура|точке)| | |

| | | | |холодн| | | |

| | | | |ой | | | |

| | | | |точки | | | |

| |продол|темпер| |продол|темпер| | | | |

| |жи-тел|а-тура| |жи-тел|а-тура| | | | |

| |ьность|, | |ьность|, | | | | |

| |, час |0С | |, час |0С | | | | |

|870,00|6,00 |580,00|70,00 |10,00 |650,00|что |690,00|2,00 |150,00|

| | | | | | |быстре| | | |

| | | | | | |е | | | |

Таблица 15

Начальные условия и параметры расчета для отжига

|Начальные условия |Параметры расчета (настройка) |

|Температура |Температура |Шаг по времени|Пирометри- |Степень |

|колпака, 0С |рулона, 0С | |ческий |черноты торца |

| | | |коэффициент |верхнего |

| | | | |рулона |

|400,000 |60,000 |300,000 |0,650 |0,990 |

Изменением настроечных коэффициентов (табл. 16), было обеспечено

соответствие реального и расчетного режима отжига в колпаковых печах ЛПЦ-5,

причем длительность нагрева и выдержки составляет 128 часов, а охлаждения -

63 часа.

Таблица 16

Настроечные коэффициенты

|Коэффициент |Коэффициент |Тст |Тк |

|контакта газа с |заполнения витков в|А(Тмуф+В(Тр+С(|А(Тколп+В(Тмуф+С(Тп|

|торцом рулона |рулоне |Тзг |с |

|100 |300 |500 |700 |100 |300 |500 |700 |А |В |С |А |В |С |К |

|0С |0С |0С |0С |0С |0С |0С |0С | | | | | | | |

|1,30|1,40|1,50|1,60|0,00|0,00|0,00|0,00|0,05|0,05|0,90|0,10|0,80|0,10|0,70|

|0 |0 |0 |0 |2 |2 |2 |2 |0 |0 |0 |0 |0 |0 |0 |

Таблица 17

Сведения о садки колпаковой печи (4 рулона)

|Толщина |Ширина |Плотность|Вес |Наружный |Тип |Доля |

|полосы, |полосы, |смотки, |рулона, |радиус |конвектор|защитного|

|мм |высота |% |т |рулона, |-ного |газа, |

| |рулона, | | |мм |кольца |проходя-щ|

| |мм | | | | |его в |

| | | | | | |кольцо, %|

|1 |2 |3 |4 |5 |6 |7 |

|1,500 |1250 |0,97 |23,000 |975 |Серийные |30,000 |

|1,500 |1250 |0,97 |23,000 |975 |Серийные |30,000 |

|1,500 |1250 |0,97 |23,000 |975 |Серийные |20,000 |

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6


ИНТЕРЕСНОЕ



© 2009 Все права защищены.