автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Повышение эффективности тепловой работы газовых печей метизного производства

^ * с

московский

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ (ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

4 ; р<е з и диум

|ХД

■■, ,•■,., степень ДОКТО**К.

1 • Экз.' № С-

5КОПИСИ

лгеог .

ш 7*

лит* у ^зеленая ВАК

ЮДИН Рафаил Айзикович

го пользования

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ ГАЗОВЫХ ПЕЧЕЙ МЕТИЗНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Специальность 05Л6.02 - «Металлургия чёрных металлов»

ДИССЕРТАЦИЯ„

на соискание учёной степени доктора технических наук в форме научного доклада

Москва, 1998 г.

Работа выполнена на Череповецком сталепрокатном заводе

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

доктор технических наук, профессор МАСТРЮКОВ Б.С.

доктор технических наук, профессор ГЛИНКОВ Г.М.

доктор технических наук, профессор КЛИМОВИЦКИЙ М.Д

Ведущее предприятие - Институт по проектированию и конструированию тепловых агрегатов - «Стальпроект».

Защита состоится « 3 » 1998 г. на заседании

диссертационного совета Д.053.08.01 при Московском государственном институте стали и сплавов (технологическом университете) по адресу:

117936, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, дом 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГИСиС. Автореферат разослан « 1998 г.

Справки по телефону: :

Ученый секретарь диссертационного совета,

доктор технических наук, профессор 1 ¡,.И. Бородин

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ

БИБЛИОТЕКА

а

ю- уз

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 3

Актуальность работы. В промышленно развитых странах непрерывно развивается производство калиброванной стали и различных метизов. Основными их изготовителями являютя специализированные метизные заводы,осуществляющие четвёртый передел чёрной металлургии. Способы и технология изготовления калиброванной стали подвергаются большим изменениям. Резко возросла доля выпуска металла,поставляемого в шлифованном и полированном виде.

Одним из прогрессивных технологических процессов производства калиброванной стали является термохимическая обработка в роликовых печах с радиационными трубами,распространённых и в других отраслях, в частности,в прокатном производстве. Однако,при нагреве в этих печах калиброванной стали существенно проявляется ряд специфических особенностей не характерных для аналогичных печей при нагреве другой металлопродукции,например,стального листа. Такими особенностями являются: сложность формы,вторичная шероховатость и немонолитность садок, а также существенное экранирование их рольгангом. Существующие алгоритмы расчёта печей перечисленных особенностей не учитывают.

Метизами сокращённо и условно принято называть группу наиболее широко применяемых металлических изделий промышленного назначения, например .проволоку .канатные изделия .металлические сетки .ленту .сварочные электроды,порошковую проволоку,мелкие пружины,крепёжные изделия, цепи и т.д. Проволока - основной вид метизов - имеет точные размеры и конфигурацию поперечного сечения по её длине. Термохимическую обработку проволоки проводят в протяжных отжигательных и патенти-.¡очных печах .установленных в линиях непрерывного нанесения покрытий д подготовки проволоки к волочению. Эти печи применяют только в мерном производстве,поэтому в отличие от печей е радиационными труба-,исследования их работы весьма ограничены, и недостаточны. Эти печи «вкке имеют особенности. В них осуществляют малоокислительный нагрев тэдьной проволоки, чтобы обеспечить захват смазки поверхностью доволоки при волочении,так как определённый слой окислов служит хо-.4

рошим подсмазочным слоем при волочении на мыльной эмульсии.

В линиях нанесения покрытий также установлены протяжные печи -ванны,как правило,горячего цинкования.эксплуатация которых связана с рядом серьёзных проблем. Широкое применение протяжных печей обуславливает необходимость оптимизации их конструкций и отдельных эле-ментов,отработки и соблюдения специфических режимов работы,повышения точности расчётов на стадии проектирования печей.

Однако,несмотря на значительный достигнутый прогресс.многие проблемы остаются нерешёнными. Для метизных печей отсутствуют надёжные алгоритмы расчёта,разработка которых требует корректного описания процессов теплообмена в многокомпонентном рабочем пространстве с учётом немонолитности садок калиброванной стали,их формы и особенностей нагрева. Актуальными остаются задачи увеличения эксплуатационного ресурса радиационных труб,муфелей,корпусов печей-ванн и других элементов.повышения коэффициента полезного действия печей.

Настоящая диссертационная работа посвящена комплексному решению упомянутых проблем и представляет обобщение результатов теоретических и прикладных исследований,выполненных лично или с участием автора в период с 1976 по 1998 гг.

Цель работы. Разработка научно обоснованных технических решений направленных на повышение эффективности тепловой работы газовых печей метизного производства путём создания высокоэффективных газого-релочных и дожигательных устройств,радиационных труб,отопительных и охлаждающих систем,конструкций печей,способов их отопления и алгоритмов расчёта,учитывающих реальные характеристики многокомпонентного рабочего пространства и немонолитность садок метизов.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем: I. Установлено влияние теплофизических характеристик компонентов рабочего пространства роликовых печей с радиационными трубами в формировании результирующих потоков.теоретически обоснована возможность установки радиационных труб по длине печей с оптимальным

относительным шагом.

2.Установлены закономерности формирования эквивалентной теплопроводности бунтов и пакетов прутков,показано решающее влияние "эффективной" (е учётом излучения) теплопроводности газа в газовых полостях и исходной (допускаемой стандартами) кривизны прутков и витков бунтов по длине для сортовой и калиброванной стали.выделено снижение кривизны и критерия термической массивности Био в процессе нагрева немонолитных садок этих метизов.

3.Экспериментально и теоретически обоснована необходимость использования в радиационных трубах горелок частичного предварительного смешения и компенсаторов термомеханичеаких напряжений,выявлена возможность еажеобразования в радиационных трубах е периферийной подачей газа при коэффициентах равхода воздуха.более 1,5 и получены зависимости концентрации сажистого углерода от коэффициента расхода первичного воздуха при различных нагрузках,показана неудовлетворительная работа "связанных" систем регулирования и обоенсза-на необходимость применения в радиационных трубах дополнительных пилотных горелок,обеспечивающих работу основных горелок в режимах "включено-выключено".

4.Экспериментально и теоретически обоснована эффективность протяжных печей открытого малоокиелительного нагрева и покрытия проволоки с параллельными зонами сжигания и дожигания природного газа,соединёнными посредством промежуточного пода (свода).содержащих неотапливаемые камеры выдержки и утилизации тепла.

5.Установлены закономерности теплопередачи из параллельной зоны дожигания к проволоке,показано решающее влияние в формировании эквивалентной теплопроводности через промежуточный под его толщины,теплопроводности газа и степени контакта проволоки с подом,показано увеличение в процессе нагрева степени контакта проволоки и пода.

Практическая значимость.

- В результате использования адаптированных по экспериментальным

данным алгоритмов и опытных исследований оптимизированы конструктивные элементы и технологические режимы печей.

-Разработаны эффективные конструкции у -образных и тупиковых радиационных труб,отличающиеся высокими: равномерностью нагрева излучающей поверхности, КОД (64-80%) и долговечностью. Эти нагреватели нормализованы институтом Стальпроект и внедрены на 16 печах Череповецкого сталепрокатного завода. Тупиковые радиационные трубы конструкции Стальпроект-ЧСПЗ также внедрены на шеети печах отжига шарикоподшипниковой стали ШХ 15 Орловского сталепрокатного завода. -Разработана и внедрена на Череповецком сталепрокатном заводе система отопления роликовых печей с радиационными трубами.содержащими дополнительные пилотные горелки конструкции МГИСиС-ЧСПЗ. Регулирование газовоздушной смеси на основные и пилотные горелки проводят клапанами и регуляторами прямого действия конструкции института Теплопроект,обеспечивая поддержание технологической температуры при работе основных горелок в режимах "включено-выключено".

- Разработаны и внедрены на 16 линиях рекриеталлизационного отжига низкоуглеродистой и патентирования выеокоуглеродистой проволоки Череповецкого сталепрокатного завода печи открытого малоокислительного нагрева,две из которых выполнены е параллельными зонами сжигания и дожигания топлива. Печи снабжены неотапливаемыми камерами выдержки и утилизации,эффективными горелками и рекуператорами,

и выполнены из современных огнеупорных материалов,их КДД составляет 55-7556. Результаты освоения печей открытого малоокиелительного нагрева использованы при реконструкции печей в линиях патентирования на Романском сталепрокатном заводе в Болгарии.

- Разработаны и внедрены на восьми линиях горячего цинкования проволоки Череповецкого сталепрокатного завода печи-ванны открытого нагрева с параллельными зонами сжигания и дожигания топлива. Печи снабжены эффективными сетчатыми рекуператорами,газогорелочными и

' 7 .

дожи гательными устройствами,их корпуса имеет неограниченный срок службы,а КЦЦ составляет 20-25%. Такая печь также внедрена на Орловском сталепрокатном заводе.

- Основные результаты работы переданы институту Стальпроект для использования при проектировании печей метизного производства. Техническая новизна выполненных разработок защищена 13 авторскими свидетельствами СССР и патентами Р£,.три из которых являются двойными (способ и конструкция).

Разработки по теме диссертации отмечены призовым местом во Всесоюзном конкурсе на "Лучшее конструкторское решение печи прокатного производства" и дипломом во Всесоюзном конкурсе на предложение "Экономия тепловой и электрической энергии". Разработки по теме диссертации широко экспонировались на ВДНХ и отмечены медалями. Разработки по радиационным трубам отмечены премией Мингазпрома СССР.

Внедрение результатов работы позволило получить значительный экономический эффект.

Апробация результатов работы. Основные результаты работы докладывались на III,IV", V, VI научно-технических конференциях "Расчёт, конструирование и применение радиационных труб в промышленности" (г.Киев,1977,1982,1987,1992 гг.).научно-технической конференции "Разработка основ теории конструирования и методов расчёта металлургических печей" (г.Свердловек,1977 г.).научногтехническом семинаре "Современное состояние термических протяжных печей и пути повышения качества проволоки при термообработке в метизной промышленности" (г.Ленинград,1977 г.).городской научно-технической конференции молодых специалистов и учёных (г.Череповец,1978 г.),научно-техническом семинаре "Повышение эффективности использования газа и мазута в отраслях народного хозяйства" (г.Моеква,1980 г.),научно-технической конференции "Проблемы теплофизики,теплотехники и экономии топлива в чёрной металлургии" (г.Свердловск,1980 г.),научно-технической конференции молодых учёных и специалистов (г.Вологда,

1980 г.).научно-техническом семинаре "Направления усовершенствования методов нагрева проволоки при патентировании" (гЛенинград, 1980 г.) .научно-техническом совещании "Улучшение конструирования, освоения и эксплуатации нагревательных и термических печей прокатного производства заводов чёрной металлургии" (г.Череповец,1982 г.), научно-технической конференции "Повышение эффективности энергоиспользования в основных металлургических переделах" (г.Запорожье,1983 г.), научно-техническом совещании "Повышение технического уровня нагревательных устройств в прокатном производстве" (г.Москва,1987 г.),на-учно-технической конференции "Горелочные устройства в чёрной металлургии - опыт разработки,изготовления и эксплуатации,перспектива развития" (г.Свердловск,1988 г.),на двух научно-технических совещаниях "Проблемы теплопереноса в материалах и покрытиях" (гелиотехническая база ИПМ АН Украины,п.Кацивели,Ялтинский район Крымской области, 1990,1991 гг.), на Втором международном конгрессе прокатчиков "Состояние и основные направления развития прокатного,трубного и метизного производства" (г.Череповец,1997 г.).

Дубликации. Основное содержание работы опубликовано автором в 5 9 статьях и защищено 13 авторскими свидетельствами СССР и патентами №.

I.Разработка алгоритма расчёта времени нагрева метизов в роликовых печах с радиационными трубами.

Эффективность тепловой работы роликовых печей во многом зависит от организации теплообмена в их рабочем пространстве и точности расчётов нагрева металла. Существующие инженерные методы расчёта нагрева металла в роликовых печах базируются на идеализированных схемах теплообмена и не учитывают реальные характеристики компонентов рабочего пространства.Большое количество допущений обуславливает неточность этих методов и не позволяет разработать рекомендации по повышению эффективности теплообмена в печах. С другой стороны,корректные численные методы расчёта разработаны для металлопродукции третьего передела - термически тонкого стального листа,оказывающего незначительное давление на транспортные ролики,расположенные в печах термос

обработки листа е большим относительным шагом - ^р>5. Это позволяет пренебречь влиянием рольганга на процессы теплообмена а рабочем пространстве печей и существенно упростить его математическое описание. На роликовых печах термообработки метизов - немонолитных массивных бунтов и пакетов прутков такое допущение неприемлемо,так как §Р<3 и рольганг оказывает существенное влияние на формирование результирующих тепловых потоков. Кроме того.немонолитноеть этих садок определяет их повышенную термическую массивность и неприемлемость использования для преобладающих на практике случаев модели термически тонкого тела.

Однако процессы теплопроводности в бунтах и пакетах прутков недостаточно изучены и аналитически не описаны. При расчётах используют практически невоспроизводимые из-за отсутствия полной исходной информации экспериментальные данные по величине коэффициента эквивалентной теплопроводности,например,в зависимости от диаметра прутков и витков бунтов,поэтому вееьма актуальной являетея задача разработки

алгоритма расчёта нагрева этих садок в роликовых печах. . _

гОС®КИСКАЯ

ГОСУДАРСТВЕННА; БИБЛИОТЕКА

1.1. Исследование внешнего теплообмена в рабочем пространстве роликовых печей с радиационными трубами.

Наиболее простой схеме расчётов внешнего теплообмена в роликовых печах с радиационными трубами,представленной на рис.1.1а,соответствует локально одномерная схема нагрева полосы,пакетов прутков и труб, разделяющих рабочее пространство печи по высоте на две заэкранированные друг от друга части,поэтому их заменили двумя автономными замкнутыми системами,состоящими из двух активных несерых поверхностей источника и стока тепла,соответственно радиационные трубы - 2 и нагреваемый металл - I, и трёх для нижней части печи (двух для верхней её части) промежуточных несерых и неадиабатных поверхностей : пода (свода) - Зпод (св.).боковых стен - Збок,роликов - 4,частично диффузно отражающих тепловые потоки.

Яри описании внешнего теплообмена полагали,что атмосфера печи является диатермической,так как применяемые атмосферы контролируемого состава содержат в основном двухатомные газы,а температуры и радиационные характеристики для всех точек поверхностей компонентов рабочего пространства печи в пределах выделенной по температуре нагрева садки зоны одинаковы.

Аналитические зависимости для определения плотности результирующего лучистого потока на поверхности нагреваемого пакета прутков ^ и эффективных угловых коэффициентов излучения учитывающих переотражения потоков от промежуточных поверхностей,^,^/ соответственно с металла на радиационные трубы и.с них на металл .связанных условием взаимности , получены путём, решения системы нелинейных алгебраических уравнений следующего вида:

"' «.п.

С учётом инвариантности падающего лучистого потока к селективности излучения искомое выражение для определения плотности результирующего

а).

б).

Рис.1.1. Схемы нагрева металла в роликовых печах с радиационными трубами, а). - пакета прутков, б), -бунтов. I- пакет (бунт), 2- радиационные трубы,

3 св.- свод, 3 бок.- боковая кладка, м

4- ролики.

потока излучения на поверхности нагреваемого металла имеет следующи вид:

Здесь ^ с^