автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Моделирование тепловых процессов в трубчатых вращающихся печах спекания

На правах рукописи

МАРКУС Антон Александрович

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ТРУБЧАТЫХ ВРАЩАЮЩИХСЯ ПЕЧАХ СПЕКАНИЯ

Специальность 05.16.02 — Металлургия чёрных, цветных и

редких металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2014

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный технологический институт (технический университет)», кафедра математического моделирования, профессор

Коссой Аркадий Анцельевич, кандидат технических наук, ФГУП РНЦ «Прикладная химия», лаборатория математического моделирования, начальник

Ведущая организация - ООО «Институт Гипроникель»

Защита диссертации состоится 20 января 2015 г., в 14 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д 212.224.03 при Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, 21-я линия, д. 2, ауд. 1163.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального минерально-сырьевого университета «Горный» и на сайте vww.spmi.ru.

Автореферат разослан 20 ноября 2014 г.

Шариков Юрий Васильевич

Официальные оппоненты:

Холодное Владислав Алексеевич,

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ диссертационного совета

БРИЧКИН Вячеслав Николаевич

: -,.. -• -'С П11.1 ¡МАЯ | ПИПП-КА | > 0_1_г> ___

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Пирометаллургические агрегаты составляют играют очень большую роль в производстве алюминия. Одним из главных технологических пределов является производство глинозема в трубчатых вращающихся печах спекания. Эти печи характеризуются высокими тепловыми потерями через футеровку, с отходящими газами, тепловой энергией продуктов производства. В последние двадцать лет, из-за обострения геополитической обстановки, наблюдается повышение цен на энергоносители. Данное событие привод к повышению требований к энергоэффективности металлургической промышленности со стороны государства. К настоящему времени оформился подход для решения вышеизложенной проблемы за счет совершенствования теплоизоляционных материалов, устройств для тсплогенерации, оборудования по утилизации отходящих газов. Создание математических моделей, описывающих тепловые процессы в печи, позволяет оценить эффективность работы агрегата после его модернизации. Результаты моделирования помогают производить доработку существующих компонентов агрегата и прогнозировать последствия улучшений.

Заметное место занимает использование программных продуктов. Они предназначены для решения систем уравнений, описывающих физико-химические процессы. Данный подход реализуется в создании моделей факела горелочных устройств, учитывающих аэродинамику и химическую кинетику; моделей теплообменных процессов. Разработанные модели, при этом, редко используют системный подход при формализации поставленной задачи. Модель не достоверно отражает процессы, происходящие в агрегате и возникает риск ошибки.

Существенные вклад в разработку новых методов, посвященных математическому моделированию трубчатых вращающихся печей, внесли Д. Андерсен, И.Н. Белоглазое, А.И. Лайнер, В.М. Сизяков, Н.Г. Стрибнер, Ю.В. Шариков, О.В. Титов и другие ученые, а также коллективы ученых и специалистов таких институтов как МИСиС, СПГТУ, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», ВАМИ, ИТЦ РУСАЛ.

В тоже время для прогнозирования тепловых процессов в трубчатой вращающейся печи возникает необходимость в разработке трехмерной математической модели, учитывающей теплофизичс-ские переменные (плотность, коэффициент теплопроводности, теплоемкость, константа скорости химической реакции, вязкость) как функцию температуры. Она необходима для прогнозирования последствий, к которым могут привести мероприятия, направленные на увеличение энергосбережения и энергоэффективности, т.к. зачастую они проводятся без применения системного подхода. Ошибка в этом случаи может привести к непредсказуемыми последствиям и экономическим потерям.

Цель работы. Исследование процессов теплопередачи в трубчатой вращающейся печи для выбора оптимального теплового режима работы агрегата.

Идея работы заключается в создании в создании комплексного подхода, направленного на повышение энергоэффективности работы трубчатой вращающейся печи. На основе разработанной трехмерной математической модели обосновывается тепловая эффективность новых конструкций горелочного устройства и футеровки печи, которые были предложены автором.

Задачи работы.

1. Математическое описание кинетических и теплофизиче-ских процессов, протекающих в трубчатой вращающейся печи спекания.

2. Разработка методики для определения коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов.

3. Разработка новой конструкции футеровки агрегата, уменьшающей диссипацию тепловой энергии в окружающую среду.

4. Разработка математических моделей, описывающих тепло-физические процессы в металлургическом агрегате трубчатая вращающаяся печь.

Методы исследований. В процессе работы проводились экспериментальные исследования теплопередачи с помощью тепловизора ОРТЯ1Я Р1-230 и оптического пирометра.

Для математического моделирования процессов, протекающих в трубчатой вращающейся печи, построения модели теплопередачи

для трубчатой структуры, обработки данных - использовались современные компьютерные программы: MATLAB, COMSOL, Ansys Fluent, SOLIDWORK.S.

Научная новизна.

1. Показано, что использование новой разработанной конструкции футеровки трубчатой вращающейся печи позволяет значительно снизить тепловые потери в окружающую среду. Эффективность подтверждена методами математического моделирования и экспериментальными наблюдениями.

2. Установлено, что для любого теплоизоляционного материала значение коэффициента теплопроводности можно определить, зная его плотность, пористость и теплопроводность сплошного материала.

3. Разработана трехмерная математическая модель в среде Ansys Fluent, учитывающая процессы теплопередачи в системе газовая фаза - шихта - футеровка - окружающая среда в трехмерном пространстве.

4. Установлено влияние аэродинамических характеристик факела на значения местных коэффициентов теплопередачи от материала и газа к кладке.

Практическая значимость

1. Установлена возможность применения новой конструкции футеровки трубчатой вращающейся печи, применение данной разработки позволит на 10 - 15 % снизить потери тепла в окружающую среду.

2. Установлена возможность применения, на стадии разработки проектной документации, нового расчетного способа определения коэффициента теплопроводности теплоизоляционного материала, если при этом известны его плотность, пористость, и теплопроводность сплошного материала.

3. Установлена возможность применения программы для расчета в диалоговом режиме теплофизнческих параметров трубчатой вращающейся печи.

4. Научные результаты работы могут быть использованы в учебном процессе химико-металлургического факультета Национального минсральпо-сырьсвого университета «Горный» для студентов специальности 220301 «Автоматизация технологических процессов и производств».

Обоснованность и достоверность работы. Приводимые результаты, выводы и рекомендации являются достоверными на основании численных расчетов, лабораторных анализов, экспериментальных и производственных данных. Эффективность предложенных мероприятий подтверждена в ходе опытно-промышленных испытаний.

Апробация работы. Содержание и основные положения диссертации докладывались и обсуждались: на международной научной специализированной конференции в Польше в г. Гливице в 2013 г. в Си-лезском технологическом институте; всероссийском молодежном форуме «Нефтегазовое и горное дело» в 2013; научных семинарах кафедры АТПП в Национальном минерально-сырьевом университете «Горный» 201 1-2014 г.г.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 3 статьях, в журналах, рекомендованных ВАК, и 1 патенте.

Личный вклад автора. Выполнен анализ научно-технической и патентной литературы, определены задачи теоретических и экспериментальных исследований, освоены известные и разработанные оригинальные методики, разработаны технические решения, адаптированные к моделированию тепловых процессов в трубчатых печах, приведено научное обобщение результатов, сформулированы выводы и рекомендации.

Реализация результатов работы. Подготовлена программа проведения мероприятий, направленных на повышение энергоэффективности трубчатых вращающихся печей на участке спекания ОАО «Базел-Цсмент-Пикалево». Научно-технические результаты внедрены в учебный процесс.

Структура и обьем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, библиографического списка. Содержит 160 страниц машинописного текста, 60 рисунков, 17 таблиц, 111 источника, указанных в списке литературы.

Огромную благодарность автор выражает научному руководителю проф., д.т.н. Шарикову Ю. В., Фирсову А.Ю. и Никитснко М.Л. за помощь и поддержку, оказанную при работе над диссертацией.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследований, изложена цель, сформулированы основные положения, выносимые на защиту и научная новизна.

В первой главе рассмотрены основные технологические приемы, применяемые для сокращения тепловых потерь в высокотемпературных металлургических агрегатах. Рассмотрены современные способы математического моделирования тепловых и аэродинамических процессов в трубчатых вращающихся печах.

Во второй главе описывается математическая модель трубчатой вращающейся печи. Приведены уравнения, характеризующие химические, аэродинамические, тепловые процессы. Представлена математическая модель в коэффициентной форме, пригодной для решения в среде MatLAB и Ansys Fluent.

Третья глава посвящена разработке методики определения коэффициента теплопроводности теплоизоляционных материалов, разработанного на основе аффинных преобразований и статистических да.

В четвертой главе приведены зависимости теплопроводности от пористости, полученные на основании статистических методов, для шамотных огнеупоров, применяемых в трубчатых печах.

В пятой главе описывается новая конструкция теплоизолированной трубы. Проведено ее сравнение с существующими прототипами, указана область применения.

В шестой главе приведены конструкции горелочного устройства и футеровки трубчатой вращающейся печи, разработанные автором. Приводится решение метаматематической модели, описанной во второй главе. Отдельным моделированием доказана эффективность предложенной конструкции футеровки.

Заключение отражает обобщенные выводы по результатам исследований в соответствии с поставленной целью и решенными задачами.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Для выбора оптимального режима тепловой работы трубчатой вращающейся печи следует использовать разработанную трехмерную математическую модель, учитывающую зависимость теплофизических свойств шихты, футеровки и газовой фазы от температуры.

Математическая модель трубчатой вращающейся печи является сложной. Она состоит из нескольких систем. В агрегате выделены твердая фаза, она представляет собой шихту, трансформирующуюся по ходу движения в агрегате в глиноземный спек. Газообразная фаза

- это совокупность технологических газов, вырабатывающихся при сжигании природного газа и газов, выделяющихся из шихты во время получения глинозема. Пылеобразная фаза представлена шариками, располагающимися в газообразной фазе, занимающие конечный объем пространства. Футеровка представлена в виде неподвижной твердой фазы. Она контактируют с твердой фазой, газообразной и пылевидной.

Структура математической модели приведена на рисунке 1.

Рисунок I - Структура математической модели трубчатой вращающейся печи спекания

Приведенная математическая модель описывает трехмерное пространство трубчатой вращающейся печи с технологическими процессами, протекающими в ней. Процесс моделирования, выполненный в диссертационной работе, состоит из описания технологических процессов печи с помощью дифференциальных уравнений в частных производных для газовой, пылеобразной, твердой фазы и футеровки. В дальнейшем, для задания граничных условий и удобства решения сложная математическая модель приводится к коэф-

фициентной форме для твердой фазы, чтобы упростить процессы, происходящие в шихте.

Решение системы уравнений, описывающих процессы в трубчатой вращающейся печи, были выполнены с помощью решателя, интегрированного в среду Ansys Fluent. Решение модели в данной системе подчинено следующей логике.

1) Создается твердотельная модель трубчатой вращающейся печи. Она задает и определяет граничные условия, связанные с геометрическими характеристиками объекта.

2) Для решения дифференциальных уравнений в частных производных на твердотельную модель накладывается сетка из конечных элементов.

3) Задаются уравнения, описывающие процессы в трубчатой вращающейся печи спекания.

4) Определяются начальные и граничные условия, характеризующие протекающие в агрегате процессы.

5) Решатель, встроенный в программный пакет ANSYS Fluent выполняет решение системы дифференциальных уравнений методом конечных элементов.

6) Получение трехмерного температурного поля трубчатой вращающейся печи.

Граничные условия моделирования определяются геометрическими характеристиками горелочного устройства, геометрией внутреннего пространства внутри печи. Они определяет тепловой режим вращающейся печи, т.к. влияют на процесс истечения природного газа и воздуха и сопел и формируют пространственный профиль факела. Конструкция горелочного устройства приведена на рисунке 2, геометрические особенности печи представлены на рисунка 3 и 4.

Рисунок 2 - Конструкция горелочного устройства 9

Рисунок 3 - Твердотельная модель фрагмента печи

Рисунок 4 - Геометрия горелочного устройства

На вышеприведенных рисунках представлена часть пространственной модель трубчатой вращающейся печи, которая достаточна для понимания логики решения задачи. Расчетная область представляет собой минимальный элемент симметрии - сектор с углом раствора 36 градусов (Рисунки 3 и 4). Длинна печи составляет 130 м.

Начальные условия, описывающие состав шихты по ходу движения в трубчатой печи были получены из научных работ, выполненных Ю.В. Шариковым и О.В. Титовым. На основании этих значений учитываются внутренние источники тепла, и проводится построение общей картины теплового режима трубчатой вращаю-

щейся печи на основе математического моделирования. На рисунках 5-10 приведены данные о составе шихты.

Начальные условия, описывающие технологические режимы подачи газа и воздуха на горелочное устройство приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Газодинамические параметры технологических режимов

Расход газа, Нм3/ч Расход управляющего воздуха, Нм3/ч

0 500 750 1000

1500 №1 №3

2000 №5

2500 №2 №4

В качестве решателя системы дифференциальных уравнений был использован интегрированный в ANSYS Fluent алгоритм.

Распределение тепловых полей для трубчатой вращающейся печи при заданных технологических режимах, применяемых на предприятии ЗАО «Базел-Цемент», представлено на рисунках 11 15. На рисунке 17 представлен температурный профиль шихты и газовой фазы в трубчатой вращающейся печи. Результаты моделирования сходятся с производственными данными. Значения поля температур внутри печи соответствуют аналогичным расчётным значениям, полученным в диссертационной работе Титова О.В.

Приведенная математическая модель трубчатой вращающейся печи может служить виртуальным испытательным стендом для моделирования результатов мероприятий, направленных на повышение энергоэффективности агрегата. При этом мы можем наблюдать положительные и отрицательные стороны мероприятия, которое планируем выполнить.

В качестве предполагаемого мероприятия, направленного на модернизацию агрегата, было выбрано совершенствование горелоч-ного устройства. Проведена виртуальная модернизация горелочного устройства, новая горелка (Рисунки 2 и 4) отличается от традиционной наличием дополнительных сопел, позволяющих регулировать геометрические характеристики факела, и тем самым влиять на технологические процессы в зоне спекания. В таблице 1 представлены

расходы газа и воздуха: режимы №1 и №2 - реальные технологические режимы, режимы № 3, № 4, №5 - новые технологические режимы, осуществленные за счет использования разработанной конструкции горелочного устройства. На рисунках 11-15 видим, как созданная математическая модель позволяет оценить тепловой режим, об этом можно судить на основании трехмерного температурного поля, поля скоростей движущихся сред, с возможностью их трехмерного графического представления; при этом моделирование учитывает физико-химические процессы, происходящие в щихте; истечение газа и воздуха из сопел, сложный теплообмен в системе газ-шихта-пыль.

Технологические режимы № 3 -5, являются более технологически совершенными, т.к. видно, что новая конструкция грелочного устройства обеспечивает более интенсивный процесс спекания. Он обеспечивается заданием значения температуры близкой к 1873 К на поверхности шихты.

Таким образом представленная математическая модель трубчатой вращающейся печи позволяет оценивать последствия, которые могут возникнуть при применении нового оборудования. При этом результат наглядно иллюстрируется трехмерным распределением температурного поля и поля скоростей. Модель может быть использована, также, для оптимизации процесса сжигания природного газа в горелочном устройстве.

2. Разработанная конструкция футеровки, состоящая из периодически расположенных элементов с различной теплопроводностью, позволяет значительно уменьшить тепловую диссипацию 01 трубчатой вращающейся печи.

Отсутствие прочного термостойкого материала с хорошими теплоизоляционными свойствами в значительной мерс определило направление работ по созданию футеровки с повышенным тепловым сопротивлением. Решение задачи достигается путем создания комбинированной футеровки, состоящей из шамота и дополнительного волокнистого теплоизоляционного материала. Тсплоизолятором может быть волокнистая структура, такая как муллит-кремнезёмистая вата с неорганическими добавками, базальтовое волокно и подобные структуры. ГЗ этом случае между огнеупором и

12

Длина,м

Рисунок 5 - Изменение содержания известняка по длине печи при спекании нефелиновой

шихты

2.5

Длина, м

Рисунок 6 - Изменение содержания оксида кальция по длине печи ири спекании

нефелиновой шихты

50 100

Длина, м

Рисунок 7 - Изменение содержания нефелина по длине печи при спекании нефелиновой

шихты

2,5

г

с; о г

1,5

X

го *

о. 0)

О

0,5

50 100

Длина, м

150

Рисунок 8 - Изменение содержания двукальциевою силиката по длине печи при спекании нефелиновой шихты

- /Ц

- НаЗОАВОМЮг, kmoUÏ>3]

50 ЮО

Длина, м

150

Рисунок 9 - Изменение содержания комплекса NAS по длине печи при спекании

нефелиновой шихты

50 юо 150

Длина, м

Рисунок 10 - Изменение содержания алюмината натрия по длине печи при спекании

нефелиновой шихты

Atr . 100 |rr*3 / hourj

CHA - 1500 |mA3 t hou-l

Air p total = Л ООП 32 | <tm I

-ík P tota' - i 05146 | arm )

Hodioí - 37030.2 !m"3 / bourl

Мл» Temp ю Fíame - 2223 8 i К 1

M<Í* Trmp on Wal a 1101 33 [ К 1

Май» ow Ave Temp on Out - 1110.64 Г К 1

Temperature

(synnp2>

7 9496*002

Рисунок 11 - Вариант №1. Распределение температуры в продольном сечении, при граничных условиях У(газа) = 1500 м3/ч, расход управляющего воздуха У(возд.) = 0 м3/ч

Ак - 100 [тЛ3 J hour]

СН4 . 2500 [m*3 / hotjrl

Ai- P tot л> = 1 00106 I elm I

las P total - 1445S | aim ]

Podios - 36938 В [mA3 / hoixl

Мл. Temp in Ham« = 2231.09 [ К J

Max Гетр on Wat - 1562 62 [ К }

MassFowAvc Tcn>p on Out » 1570 7 [ К

Temperature

(symp2)

Рисунок 12 - Вариант №2. Распределение температуры в продольном сечении, при граничных условиях У(газа) = 2500 м3/ч, расход управляющего воздуха У(возд) = 0 м3/ч

! г - : У •

А» . 1000 fm*J / hour)

СНА - 1*00 / howl

Air p total 1.15701 I «m l

Git P tola - !. 0642 [ aim J

Podioi = 48794 8 [m*3 / hot*-)

Ma* Temp in Flame . 2240 7 5 l К )

Max Temp on W«l • 1022.02 1 К 1

MdMfiowAve Temp on Out = 965 401 I К I

Temperature

<jymp2)

|K|

Рисунок 13 - Вариант №3. граничных условиях:

Распределение температуры в продольном сечении, при У(газа) = 1500 мЗ/ч. расход управляющего воздуха У(возд) = 1 ООО мЗ/ч

Лг • 1000 [rr»*3 / tour]

СН4 ; 2SOO |mAJ f horn I

А» P total x 1 15693 | aim 1

Gas P total - 1 15562 | Jtm |

Podios = 45010.9 |mA3 / hour)

Ma- Temp in Ham«. . 2243 68 I К )

Мал Temp on Walt - 1384.91 I К )

MewFlowAve Imp on Out = 1397 09 I К 1

Temperature

<syrrp2)

Г2 263c>003

Рисунок 14 - Вариант №4. Распределение температуры в продольном сечении, при граничных условиях: У(газа) = 2500 м3/ч, расход управляющего воздуха У(возд) = 1000

мЗ/ч

AI' - 750 In'"J I hoi*l

СИ« - ¿000 Im'J J hoi*l

Air P total - 1 0Я797 I atm |

Gjt P total » 1 098Я9 I atm )

Hodtot - 40782 2 [m*3 / b«r!

Mr.. im« k. Flame - HC9 )t | К )

Max Тянр on Wal * 1233.0? { < |

MaiiFkrwAvc Ton*» on Out » 1247.81 I К I

Temperature

(*jrmp2)

2 2t5c<003

Рисунок 15 - Вариант №5. Распределение температуры в продольном сечении, при граничных условиях У(газа) = 2500 м3/ч, расход управляющего воздуха У(возд) = 750 м3/ч

Выделение мощности по потоку

— 1.5Е+07

о 1 .ОЕ+07

5.0Е+06

S1 i pfi

ШШШШШГШШГ*

шш

ШшШ

. ШЩж, ШГ4ЙшшШшЗвШШ

—уровень -«-СЖ а 150а Air а 0. ■ СЖ а 2500, Air а 0. СН4 ■ 1500; Air » 1000

--СШ " 2500, Air ■ 1000

-*_СЖ - 2000; Air ■ 750

6 8 10 Продольная координата, [т]

Рисунок 16- Мощность теплового излучения при различных расходах газа и воздуха

О

о (О Ci

I-&

О) с

1000

500

Длина, м

Рисунок 17- Значение температуры газовой фазы (1^) и шихты (Те) в трубчатой вращающейся печи спекания

ШШ . а-^.р,

В1SS ь

^^ лгечо

Conteurs о'$®с Тят^огА« [lo Nov27 2012

/KjrSFlUENT n 0130. «>n! lin)

Рисунок 19 - Температурное поле в стандартной конструкции футеровки вращающейся

печи

о* Зек Тчгцмгйи* [к| 27 2012

М 0(М дав Вп!

Рисунок 20 - Температурное поле в новой конструкции футеровки вращающейся печи

корпусом печи образуется ячейка, заполненная теплоизоляционным материалом.

Наибольшего уменьшения тепловых потерь печи в окружающую среду и снижения массы футеровки можно достичь за счет установки фасонных огнеупоров в высокотемпературной зоне печи, чем также обеспечивается большая передача тепла обрабатываемому материалу и уменьшение массы теплового аппарата. На рисунке 18 показано конструктивное решение, где огнеупорный кирпич опирается на корпус с помощью ножки, образованной за счет ячеек. При механических и тепловых нагрузках, которые возникают во время работы, приведенная форма дает возможность лучше сохранить механическую стойкость огнеупорного кирпича и обеспечить высокую тепловую эффективность.

Рисунок 18 - Конструкции футеровки вращающейся печи, структура, 2 - шамотная футеровка

волокнистая

Для оценки тепловых полей применяем уравнение теплопроводности (1), в декартовой системе координат.

ФЛ,

К. г

dt_ _ _Л_ dr ~ Cp

/ i2/ S2/ гЯ/ a -Г +-Г + —г +

ax- <rV dz-) Cp ^

где t - температуры системы, град; г - временной шаг в нагреве футеровки, с;

X - коэффициент теплопроводности материала футеровки, Вт/(м К); р - пло тность материала футеровки, кг/м3; С - теплоемкость материала футеровки, Дж/(кг К)

Чу

--член уравнения, учитывающий внутренние источники гепло-

Ср

вой энергии.

Начальные и граничные условия при решении дифференциального уравнения принимаем для высокотемпературный зоны спекания трубчатой печи, которые были определены в первом защищаемом положении.

Решение дифференциального уравнения производилось средствами программного пакета ANSIS 14.0 методом конечных элементов.

В результате решения поставленной задачи были получены температурные поля. Для шамотной футеровки, которая традиционно применяется в трубчатых вращающихся печах, распределение температур по профилю представлено на рисунке 19, а для новой конструкции на рисунке 20.

Переменные, характеризующие теплофизические свойства традиционной футеровки (рисунок 19): q\= 6427 Вт/м2 плотность теплового потока через наружную поверхность; = 514 К - среднее значение т емперат уры на наружной поверхности.

Переменные, характеризующие теплофизические свойства разработанной футеровки (рисунок 20): £/:= 2671 Вт/м2 - плотность тепловою потока через наружную поверхность; Tim,, = 389 К - среднее значение температуры на наружной поверхности.

Новая конструкция футеровки трубчатой вращающейся печи обладает лучшими теплофизичсскими характеристиками по сравнению с традиционной. За счет создания прослойки из базальтового волокна на внешней границе шамотной футеровки достигнуто снижение температуры на 125 К. Уменьшение плотности теплового по-

тока через новую конструкцию футеровки в 2,4 раза меньше чем у стандартной шамотной. Применение новой конструкции футеровки глиноземном и цементном производствах позволит понизить долю тепловых потерь пропорционально уменьшению величины теплового потока.

3. Для определения коэффициента теплопроводности любого теплоизоляционного материала следует использовать разработанную методику, коэффициент теплопроводности определяется па основании плотности и пористости материала и теплопроводностью сплошного материала.

В настоящее время на рынке товаров для металлургической промышленности присутствует множество теплоизоляционных материалов. Продавцы и производители зачастую предоставляют неполные сведения о своем товаре. В первую очередь это касается коэффициента теплопроводности. Для огнеупорных материалов, применяемых в трубчатой вращающейся печи, а именно шамотных огнеупоров, он указан приблизительно, или не указан совсем. В то же время, производители и продавцы указывают плотность огнеупорного изделия. В справочной литературе содержится информация теплофизичсских свойствах огнеупоров, состоящих из сплошного материала, т.е. с пористостью менее 1 %.

Для решения задачи по определению теплопроводности огнеупорного материала на основе его пористости и плотности была разработана расчетно-аналитическая методика, позволяющая определить коэффициент теплопроводности огнеупорного материала расчётным способом.

По результатам обзора существующих на рынке шамотных огнеупорных материалов были получены сведения о кажущейся плотности (р), коэффициенту теплопроводности (X) и составе для алюмосиликатных огнеупоров. Данные приведены в диссертационной работе, из-за большого количества марок огнеупоров и громоздкости таблиц их здесь не приводим.

Ниже приведены гсплофизическис переменные:

р - кажущаяся плотность огнеупорного материала, характеризует плотность изделия, включая норы и пустоты, содержащиеся в кирпиче, кг/м\

X - коэффициент теплопроводности огнеупорного кирпича, содержащего поры и пустоты, Вт/(м-К),

Модель, для построения которой взята полиномиальная структура, показана на рисунке 21. Красной непрерывной линей показана функция X =/(р).

ПЛОТНОСТЬ, КГ/М^

Рисунок 21 - Полиномиальная зависимость теплопроводности огнеупора от его плотности и экспериментальные данные

Уравнение, описывающее зависимость, представляет полином второй степени (2) относительно плотности:

Л = 0,3621 - 0,0008 р + 8,7272 • 10~7/?2. (2) Ниже представлены результаты вычисления остаточных дисперсий коэффициента теплопроводности зависимости (2)

Dacm (литер.) = 0,04947 - дисперсия литературных данных; Docn, (литер.) = 0,04731 - дисперсия данных полиномиальной модели. су2 = 0,00442 - для полиномиальной модели.

полин '

Коэффициент корреляции между плотностью и коэффициентом теплопроводности для литературных данных составляет: Кк„р = 0,9154; коэффициент Пирсона составляет Кцщн.1т = 0,9154.

Можно говорить о существовании зависимости между плотностью и коэффициентом теплопроводности для шамотных огнеупорных материалов.

Для экспериментальной проверки приведенной зависимости были проведены исследования образцов огнеупорных материалов на приборе ИТП-МГ4, определяющем коэффициент теплопроводности. Были проведены испытания по определению коэффициента теплопроводности изучаемых огнеупорных материалов. Испытания проводились 5 раз для каждого из образцов, а затем было найдено среднее значение каждой из переменных.

Коэффициент теплопроводности и плотность шамота легковеса - /.,„., = 0,157 Вт/(м К), рш, = 490 кг/м\ (среднее для пяти экспериментов).

Коэффициент теплопроводности шамота полулегковеса -к,,,,,., = 0,323 Вт/(м-К), рш,и = 1050 кг/м\ (среднее для пяти экспериментов).

Результаты эксперимента были соотнесены с уравнениями математических моделей, что представлено выше на рисунке 21.

Из анализа графика видно, что значения экспериментальных точек соответствуют литературным данным, отклонения находя тся в зоне погрешности измерительного прибора. Это характеризует математические модели как достоверные, они согласуются с экспериментальными данными. Для построения модели теплопроводности в качестве входной величины предпочтительнее использовать объемную плотность огнеупора. Это связано с тем, что при испытаниях образцов было установлено, что изменение кажущейся пористости не согласуются с изменением объемной плотности. Истинная пористость является трудно определяемой величиной, ввиду сложностей в определении закрытой пористости, что было обнаружено при проведении опытов.

Г7<

На основании вышеприведенной зависимости была создана модель, описывающая взаимосвязь плотности, пористости и теплопроводности в безразмерных коэффициентах. Графически она представлены на рисунке 22.

1.5

0.5

о ОД 0.: 03 0.4 0.5 011 I)" 0.8 0.9 10 0.1 а: О.» 0,4 15 0,6 (1.7 0.8 0,9 1

1-Я

1-я;,

1-!Р

Рисунок 22 - Взаимосвязь между относительными теплопроводностями Л и ^ для тел зернистого строения

Она включает безразмерные комплексы: относительные теплопроводности (3, 4) и пористости (Б):

(3)

Л =

Л,,

А

пр

П

4

5

¿ + 3

(4) (3)

где Яэкв - эквивалентный (расчетный) коэффициент теплопроводности тела, Вт/мтрад;

Я» - коэффициент теплопроводности металла, Вт/м'К; Хпр - коэффициент теплопроводности прослойки, Вг/мК; а - коэффициент теплоотдачи в газовой прослойке, Вт/мК; 5-толщина прослойки, м;

А I С

д - толщина металла, м.

Представленная выше математическая модель позволяет предсказывать теплопроводность теплоизоляционного материала, если известна его пористость, плотность и теплопроводность сплошного материала. Приведенная методика может быть формализована и найти применение при определении коэффициента теплопроводности компьютерными методами, особенно актуально ее использование в системах автоматизированного проектирования.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертация представляет собой законченную научно-квалификационную работу, в которой содержится решение задачи по увеличению энергоэффективности работы трубчатой вращающейся печи спекания. Первый шаг, но решению этой задачи достигается за счет создания модели трубчатой вращающейся печи спекания, позволяющей прогнозировать последствия энергосберегающих мероприятий, например, такого как модернизацию горелочного устройства. Второй шаг - это разработка новой конструкции футеровки трубчатой печи, уменьшающей тепловые потери в окружающую среду. Третий шаг -- разработка методики по определению коэффициента теплопроводности огнеупоров, применяемых в данном агрегате.

Основные выводы и рекомендации.

1. Разработанная математическая модель трубчатой вращающейся печи описывает теплофизические процессы, происходящие в высокотемпературном агрегате в трехмерном пространстве. Применяя ее можно оценивать эффективность тепловой работы устройства, предлагать методы снижения тепловых потерь в окружающую среду, использовать се как экспериментальную виртуальную площадку для тестирования технологических режимов. Разработанная модель использовалась для оценки теплового режима с новой конструкцией горелочного устройства.

2. Разработана новая конструкция футеровки трубчатой вращающейся печи. Особенностью дайною решения является использование нескольких материалов, расположенных послойно. Применение ее позволит снизить тепловой поток в окружающую среду в

-19'

2,4 раза и добиться уменьшения температуры на поверхности агрегата.

3. Разработана методика для определения коэффициента теплопроводности теплоизоляционного материала на основе его плотности, пористости и теплопроводности сплошного материала. Методика позволяет с достаточной для инженерной практики точностью оценивать коэффициент теплопроводности при ведении инженерных изысканий и проведении энергосберегающих мероприятий.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

I Стерлигов В.В. Создание обобщенной модели теплопроводности для гел с анизотропными свойствами [Текст] / В. В. Стерлигов, А. А. Чекулаев (A.A. Маркус) // Известия вузов. Черная металлургия. -2011. -N 8. - С. 45-48

2. Шариков Ю.В. Математическое моделирование тепловых потоков в трубопроводах и трубчатых объектах. [Текст] / Ю.В. Шариков, A.A. Маркус // Записки Горного института. СПб - 2013 - Т. 202, С. 235 -238.

3. Шариков, Ю.В. Математическое моделирование тепловых полей во фрагменте футеровки вращающейся печи [Текст] / Ю.В. Шариков, A.A. Маркус//М.: Металлург. - 2013 - № 12, С. 23-26.

4. Пат. 105709 U1 Российская Федерация, МПК7 F 16 L 59/14. Теплоизолированная труба / Стерлигов В.В., Чекулаев A.A. (Маркус A.A.); заявитель и патентообладатель Стерлигов В.В., Чекулаев A.A. (Маркус A.A.) - № 20101470 17/28; заявл. 17.11.2010; опубл. 20.06.201 I.

РИЦ Горного умпнерсптет. IS.I 1.2014. '3.835. Т. 100 >ю. 199106 (.'¡шкт-1 кчирбург, 21-я линия, д.2

( /

15-350

i

2014250077

2014250077