автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Совершенствование технологии обжига углеграфитовой продукции в многокамерных печах обжига закрытого типа

На правах рукописи

МАЛАХОВ СЕРГЕЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБЖИГА УГЛЕГРАФИТОВОЙ ПРОДУКЦИИ В МНОГОКАМРНЫХ ПЕЧАХ ОБЖИГА ЗАКРЫТОГО ТИПА

Специальность 05.16.02. - Металлургия черных, цветных и редких металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владикавказ 2004

Работа выполнена в НПК «ЮГЦВЕТМЕТ АВТОМАТИКА» ОАО «СОЮЗ ЮГЦВЕТМЕТ АВТОМАТИКА».

Научный руководитель:

доктор технических наук Сошкин Станислав Валентинович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Рутковский Александр Леонидович кандидат технических наук Кузнецов Олег Константинович

диссертационного совета К.212.246.01 при Северо-Кавказском горнометаллургическом институте (государственном технологическом университете по адресу):

362021, Республика Северная Осетия - Алания, г. Владикавказ, ул. Николаева, 44, СКГТУ

Факс: (8672)749945, E-mail: skgtu@ skgtu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СКГТУ

Ведущая организация:

ОАО «Кавказцветметпроект»

Защита диссертации состоится

2004 г.

г. в 14 ч на заседании

Автореферат разослан

2004 г.

Ученый секретарь совета докт. техн. наук, п р о ф е с

СА

етагуров

Валерий Николаевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Применение углеграфитовой продукции в черной и цветной металлургии определяет эффективность пирометаллургических процессов в целом.

Однако качество применяемых отечественных углеграфитовых материалов не всегда соответствуют возрастающим требованиям, а выеокие издержки их изготовления снижают рентабельность электродного производства.

Одним из важнейших переделов производства углеграфитовой продукции, определяющим качественные и экономические показатели, является обжиг в многокамерных печах закрытого типа.

Технология обжига "зеленых" изделий. в используемых в отечественной практике камерных кольцевых печах имеет ряд негативных показателей, в т.ч.: высокий выход брака, который объясняется значительным (до 280°С) перепадом температуры по высоте загрузки; существенный перерасход природного газа (на 40-50 % от теоретически возможного); низкий уровень автоматизации процесса обжига.

Это значительно снижает эффективность процесса обжига и приводит к неоправданным затратам энергетических и финансовых ресурсов в производстве углеграфитовой продукции.

За 50-ти летнюю практику эксплуатации и модернизации печей обжига эти недостатки устранить не удалось.

Интенсификация обжига, связанная с увеличением выпуска продукции, уменьшением невозвратных потерь и улучшением качества, возможно только на основе развития научных представлений о ходе процесса, совершенствовании технологии и конструкции технических средств. Развитие научных представлений о процессе, совершенствование технологии обжига углегра-фитовых продукции являются актуальными научно-техническими проблемами.

Цель работы.

Повышение эффективности технологии обжига углеграфитовых изделий. Исследование и совершенствование технологии обжига углеграфитовой продукции в многокамерных печах обжига закрытого типа, разработка - комплекса технических и технологических мероприятий по модернизации технологии обжига на основе развития научных представлений о процессах, протекающих в кольцевых камерных печах.

Методы исследования.

Обобщение теоретических и практических положений в технологии обжига углеграфитовых заготовок и их критический анализ. Теоретическое исследование физико-химических и тепловых процессов, протекающих в камере обжиговой печи в процессе обжига. Лабораторные и промышленные исследования процесса методами пассивного и активного экспериментов. Статистические методы исследования. SR - метод определения параметра обоженной продукции.

Наиболее существенные научные результаты работы.

1. На основе экспериментальных и теоретических исследований разработана математическая модель физико-химических и тепловых процессов обжига углеграфитовой продукции.

2. Разработана методика расчета, позволяющая определять температуру в углеграфитовых заготовках для различных режимов обжига и конструктивных особенностей печей обжига.

3. Определена зависимость изменения коэффициента теплопередачи от дымовых газов к поверхности греющих простенков при изменении температур газов от 300 до 1300°С и расхода дымовых газов от 1000 юл3/ час до 15000

3 /

нм / час.

4. Теоретически обоснована возможность создания импульсной системы сжигания топлива для обжиговых кольцевых камерных печей при использовании в качестве топлива природного газа низкого давления.

5. Разработана структура системы управления процессом обжига с импульсным сжиганием газа.

Практическая ценность.

Усовершенствованна технология обжига углеграфитовой продукции в многокамерных обжиговых печах закрытого типа.

Предложена схема конструкции узкокассетной камеры с шестью продольными греющими простенками.

Снижен удельный расход природного газа с 0,232 т.у.т на тонну обоженной продукции до 0,197т.у.т. Экономия топлива составила 15%.

Увеличена производительность печи обжига на 40% по загрузке ее продукцией.

Получен эффект от внедрения результатов работы 10 млн.рублей на одной печи в год.

Снижен уровень брака с 20-30% до 2-3%.

Внедрена система импульсного сжигания топлива и управления 2 обжиговыми 30-ти камерными печами на ОАО «Новочеркасский электродный завод» и ОАО «Новосибирский электродный завод».

Положения, выносимые на защиту.

1.Математическая модель физико-химических и тепловых процессов обжига углеграфитовой продукции.

2.Методика расчета температуры углеграфитовых заготовок для различных режимов обжига и конструктивных особенностей печей обжига.

3. Методы совершенствования конструкции камер обжиговой печи закрытого типа.

4. Обоснование замены диффузионного сжигания топлива на инжекцион-

ное.

5. Научное обоснование применения способа импульсного сжигания газа низкого давления в диапазоне частот от 0,3 до 3,3 Гц и длительности импульсов от 30 до 270 мс.

Апробация работы.

Положения диссертационной работы доложены автором и обсуждены на 3-ей региональной конференции «Алюминий Урала», г. Краснотурьинск, 1998 г., 3-ем международном семинаре «Новые средства и системы автоматизации в горно-обогатительном производстве, металлургии и экологии», г. Москва, 2002 г., на международной конференции «Информационные технологии и системы: наука и практика», г. Владикавказ, 2002 и 2003 г.

Публикации.

- Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 8-ми печатных работах.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из шести глав, списка литературы из 112 наименований, 47 рисунков, 10 таблиц и 2 приложений. Основная часть работы изложена на 110 стр. текста, выполненных с применением печатающих и графических устройств вывода ЭВМ.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

1. Современное состояние технологии обжига углеграфитовых изделий.

Одной из основных технологических операций, определяющих качество углеграфитовых изделий с заданными физико-механическими свойствами, является обжиг. Главным процессом при обжига «зеленых» заготовок является формирование цементирующей коксовой решетки из связующего. При этом происходит термическая деструкция связующего, образование из него полукокса и последующее превращение его в кокс. Полученный в результате спекания материал представляет собой агломерат углеродистых частиц, скрепленных коксом связующего. Это новое сочетание обеспечивает такие ценные свойства как: прочность, термическая и химическая стойкость, высокая электропроводность.

Механизм процесса обжига можно представить как последовательно- параллельное протекание следующих физико-химических стадий: нагревание, в результате которого происходит размягчение связующих веществ; дистилляция легколетучих компонентов; пирогенное разложение органических веществ; разложение летучих веществ на горячих поверхностях, с выделением «ретортного угля» и газов; спекание; термическое старение кокса; усадка и охлаждение. В ряде работ, посвященных разработке оптимальной технологии обжига, определены условия протекания процессов, а также зависимости изменения свойств электродных заготовок в процессе обжига от температуры в теле заготовок. Обжиг углеграфитовых изделий в России осуществляется в многокамерных кольцевых печах закрытого типа; «Зеленые» заготовки, загружаемые в камеры, подвергаются температурной обработке в течение ~ 400 часового цикла.

К основным недостаткам традиционной технологии следует отнести: высокий выход брака, объясняемый значительным перепадом температуры по высоте загрузки; существенный перерасход природного газа; не стабильное качество обожженной продукции; низкий уровень автоматизации процесса обжига. Перепад температуры по высоте камеры, по результатам исследований на ряде предприятий,- составляет 220-300°С, что обусловлено установившейся организацией подачи теплоносителя и распределения тепловых потоков в камерах. Значительный перерасход топлива (15-20% от теоретически возможного) связан с неэффективным его сжиганием, применением на печах обжига диффузионного горения газа, либо использование кинетического горения с существенным нарушением необходимого соотношения газ/воздух. Применение стандартных средств автоматического регулирования расхода газа в комплексе с диффузионными горелками не позволило достигнуть необходимой кратности регулирования; составляющей в технологии обжига 1/20.

За 55-ти летнюю практику эксплуатации и модернизации печей обжига эти недостатки устранить не удалось.

2. Исследование механизма и кинетики процесса обжига углеграфитовой продукции.

На разных стадиях нагрева структура углеграфитовой заготовки претерпевает существенные изменения и характеризуется одновременным протеканием сложных пирогенетических процессов. Каждая стадия нагрева требует строго соблюдения скорости нагрева для обеспечения физической целостности заготовки и получения желаемых физико-химических свойств.

Анализируя физико-химические процессы, происходящие при термической обработке углеграфитовых материалов можно сделать следующие выводы: углерод, образующийся в результате пирогенетических процессов, активно участвует в заполнении свободных пор и «залечивании» вакансий, повышая структурную плотность решетки углерода; полнота использования пиро-литического углерода напрямую зависит от скорости нагревания обжигаемого изделия, особенно на стадии интенсивного выделения парогазовой фазы; при замедленном нагреве процессы пирогенетического разложения углеводородов успевают полностью завершиться, а пиролитический углерод отложиться в порах и пустотах обжигаемого изделия; при высоких температурах (более 750°С), когда в сообразных продуктах коксования начинает преобладать водород, количество выделенного пиролитического углерода резко снижается, а к концу обжига прекращаются полностью.

Анализ проведенных дериватографических исследований позволил сделать следующие выводы: в интервале 20 - 120°С не наблюдается каких-либо значительных изменений массы образцов; в интервале 120 - 35О°С имеет место слабый экзотермический эффект, объясняемый, скорее всего, завершением смачивания и пропитки зерен наполнителя пеком. Удельная потеря массы составляет 0,8 - 1,0 мг/мин в атмосфере воздуха и 1,5 - 2,7 мг/мин в инертной атмосфере. При этом наблюдается постепенное увеличение газовыделения с ростом температуры; дальнейшее нагревание образца до 600°С показывает, что природа процесса в окислительной среде и в инертном газе существенно различаются; экзотермический эффект значительно выше при нагреве от 350

до 600°С в атмосфере воздуха, чем в аргона, а потери массы составляют соответственно 2,3 - 2,5 и 0,6 -1,0 мг/мин. Это означает, что в указанном температурном интервале образование и рост анизотропной мезофазы, происходящей в результате полимеризации и поликонденсации, значительно ускоряется под влиянием окислительной среды; переход полукокса твердой фазы в кокс происходит в окислительной среде со значительным экзотермическим эффектом при температуре 550 - 600°С с максимальным пиком в области 720°С. В нейтральной среде тот же самый переход происходит при более высокой температуре (600 - 650°С) с меньшим экзотермическим эффектом и максимальным пиком при 800 - 850°С. В температурном интервале 600 - 850°С потеря веса возрастает в воздухе до 8,2 - 8,5 и до 6,2 мг/мин в аргоне. Обшие потери массы связующего при нагреве до 980 - 1000°С в сумме составляют 40,8 - 41,0% в воздухе и 24,8 - 27,0 в атмосфере аргона.

Обобщая данные исследований газовыделения при обжиге, а также дери-ватографические и дилатометрические результаты исследований, сделаны следующие выводы: наиболее ответственными стадиями обжига являются режим первоначального расширения заготовки, зона интенсивной дистилляции пека и последующей стадии перехода полукокса в кокс с ответствующи-ми температурными интервалами. Поэтому суммарный температурный интервал 120 - 600°С требует наиболее ответственного подхода к выбору режима нагрева обжигаемых изделий. Темп подъема температуры в интервале 800 - 1100°С как и темп охлаждения обожженных заготовок не лимитируется так строго, как зона предварительного нагрева. Тем не менее, превышение этого показателя более 20°С/ч также недопустимо, так как слишком интенсивный. нагрев или охлаждение могут вызвать опасные локальные температурные напряжения в теле заготовки и привести к их растрескиванию.

Результаты исследований, представленные в этом разделе, а также многочисленные наблюдения за работой промышленных многокамерных печей, позволяют сформировать представления о температурном графике обжига углеграфитовых заготовок в технически обоснованном режиме.

Анализ условий обжига в существующих камерных печах позволяет сделать вывод о низкой эффективности существующей технологии обжига углеграфитовых изделий. Конструкция камеры печи имеет ряд существенных недостатков, а именно: способ сжигания природного газа под сводом приводит к локальному перегреву изделий в области факела; способ сжигания газа не позволяет регулировать подачу теплоносителя в газовый тракт печи в необходимом диапазоне; из-за удаленного расположения греющих простенков в камере нагрев заготовок замедлен и характеризуется существенными перепадами температур, что приводит к возникновению нежелательных напряжений в теле заготовок.

Перечисленные недостатки не позволяют осуществлять обжиг по оптимальным - графикам с минимальными перепадами температур по высоте и объему загрузки.

На базе сформированного краткого теоретического описания физико-химических процессов, протекающих в углеграфитовых заготовках при обжиге. Разработано комплексное математическое описание процесса обжига с учетом специфики камерного обжига заготовок для дальнейшего изучения и совершенствования техники и технологии обжига электродных заготовок.

3. Разработка математической модели процесса обжига в многокамерной печи. В процессе длительного (более 400 часов) нагрева углеграфитовых заготовок (с различными скоростями от 0,45 до 20°С/ч) в диапазоне от 100 до 1250°С происходит выделение летучих соединений, уплотнение структуры заготовки. Процесс удаления летучих из «зеленых» заготовок при обжиге представляет собой разрыв физико-химических связей внутри составляющих пека с весьма быстрым последующим образованием конечных продуктов разложения. Можно выделить отдельные группы связей, которые разрушаются при определенных условиях с какой-то постоянной и примерно одинаковой для данной группы скоростью. В данном случае скорость выделения продуктов пи-

ролиза, образующихся в результате разрушения такой группы связей, по закономерностям физической химии можно записать следующим образом:

л1

= К( l-v'r

* ' (1) где: v' = v/C„ - доля продуктов пиролиза, выделявшихся за время х в результате разрушения определенной группы связей; С0 - доля продуктов пиролиза, в общем, их количестве, получающаяся в результате полного разрушения связей данной группы; v -доля продуктов пиролиза, в общем, их количестве, выделяющаяся в результате разрушения связей данной группы за время

К = f ( Т„ ) - константа скорости реакций, приведшей к разрушению связей данной группы; - температура материала, - порядок реакции,

величина которой ниже принимается равной I, что для реакции разложения в первом приближении допустимо. Константа скорости реакции определяется по закону Аррениуса:

К=К0 ехр'Е/<НТм) (2)

где: К0 - предэкспоненциальный множитель; Е- энергия активизации; R - универсальная газовая постоянная.

Сумма интегральных решений уравнений (1) запишется в виде:

Фл = 1Соп(1-ехр-кпг), (3)

где: - суммарное количество летучих, выделявшихся к моменту времени -- количество групп реакций, которые учитываются при описании процесса пиролиза; количественная характеристика определенной группы реакций.

Для практических приложений вполне удовлетворительные результаты дает схема расчета для двухкомпонентной смеси.

(п=2, Со1 +С0г=1)| т.е. уравнение (3) можно записать в виде:

Фл=Со1(1-е-к,г) + Со2(1-ек,г) (4)

Приведенные выше уравнения справедливы для изотермических условий в случае же изменяющейся во времени обжига изделий тем-

пературы задача усложняется и суммарное количество летучих, выделявшихся к моменту времени г определяется зависимостью:

(5)

(6)

где: g — 0 1..., 1 .т - время

Полученное уравнение (6) используется в математической модели для * определения количества и скорости выделения летучих веществ.

Учитывая тот факт, что основное изменение плотности заготовки происходит в результате выделения летучих, примем следующее выражение для ее определения:

вг-О,

А = ЦД,

'Gt0~G,0

(7)

где: Д - текущая плотность изделия; Д0- начальная плотность изделия; С,- текущая масса изделия; Gt- масса остатка летучих; Gl0- начальная масса заготовки; Gm - начальная масса летучих; К, - коэффициент идентификации, учитывающий уплотнение структуры изделия.

G#=GW-Gfc (8)

Решение задачи реализовано в среде MCAD 2000 Pro.

Нагрев заготовок в камере обжиговой печи осуществляется за счет конвективного теплообмена между топочными (дымовыми) газами, проходящими через муфельные каналы и поверхностью муфеля, и теплопередачи через стенку муфеля и засыпку к телу заготовки. Распределение температуры в заготовке может быть определено решением задачи нестационарной теплопроводности через стенки муфеля, графитовую засыпку и внутри изделия.

Система эмпирических и детерминированных уравнений, описывающие тепловые процессы в камере печи и теле заготовки имеет вид:

К = ; Вт 1{мгград.) (11);

q=hcxDL(T,-TÓ + с, есш,фЕг [(TJ100)4 - (Tt /100/] (12); q = hcnDL(Ts- TiJ +с, £ся.зфЕг[(Г,/100)4-(Гк/Ю0)4]=мгсг(ТЬ, -Tb3) (13) Тшс = Tt-(ga»)/(2L.){ 14); Г* = Т..,-(g а,)/(2L) (15)

При математическом описании приняты следующие обозначения: D -эквивалентный диаметр муфельного канала, м; L — длина муфельного канала, м; ¡Ль - коэффициент динамической вязкости при среднемассовой температуре газа, Н.см/м2; (I, - коэффициент динамической вязкости печных газов при средней температуре стенки муфеля, - коэффициент теплоотдачи

печных газов, — тепловой поток к стенке муфеля,

температура печных газов на входе и выходе муфеля; Я—коэффициент теплопроводности печных газов, для наших условий Х = 0.028 + 0.00006-(7i), Вт/м град; - коэффициент излучения абсолютно черного тела, - эффективная степень черноты стенки; степень черноты печных газов; температура газовой среды, температура внутренней стороны кладки

муфеля, — массовый расход печных газов на муфель, для нашего случая

0.61 кг/сек; Сг - теплоемкость печных газов, Дж/кг град.; Tac -температура наружной стороны кладки муфельного канала°С; Ом — толщина стенки муфельного канала, м; Я«—теплопроводность шамота, Вт/м град.; Оз - толщина засыпки, м; Xi-теплопроводность углеродной засыпки, Вт/м град.

Необходимые значения чисел Рейнольдса и Прандтля для определения коэффициента теплоотдачи определяются из условий однозначности. Для условий расчета конвективного теплообмена в муфеле камерной печи скорость течения дымовых газов при расходе топлива 25-50 м3/час составляет 03-0.4 м/сек, а плотность дымовых газов равна 1.27 кг/м3. При этом значении числа что характеризует течение газа в канале муфеля как ламинарное. Значение критерия Рг составляет 0.65.

Численное решение задачи конвективного теплообмена реализовано в среде MCAD 2000 Pro.

На рис. 1, 2 приведены зависимости изменения средней температуры стенки муфеля и коэффициента теплоотдачи от теплофизических свойств теплоносителя и технологических параметров процесса во времени.

Рис.1. Расчетная зависимость изменения температуры муфеля от времени обжига.

Рис.2. Расчетная зависимость изменения коэффициента теплопередачи дымовых газов к стенке муфеля в процессе обжига.

На рис. 3 приведены зависимости средней температуры дымовых газов и муфеля печи от времени обжига.

Полученные результаты используются для решения задачи определения температуры в любой точке углеграфитовой заготовки.

Математическая формулировка поставленной задачи выражена дифференциальным уравнением теплопроводности с внешним источником тепла и нелинейными коэффициентами:

<1т ск

[<НЫЫ<]

(16)

Рис. 3. Расчетная зависимость средней температуры дымовых газов и муфеля обжиговой печи от времени обжига.

Для решения уравнения (16) целесообразно воспользоваться итерационными методами решения.

В нашем случае рассматривается решение задачи нестационарной теплопроводности в заготовке методом элементарных тепловых балансов с использованием явной схемы счета.

Сопряженные температурные поля математически описываются системой дифференциальных уравнений в частных производных при нелинейных граничных условиях. Вид уравнения в декартовой системе координат:

= Г Л

дт я[а*2+ау2+&1

(17)

(19);

(20)

где: дхо,лт = д„ои. + цяуч;

Чти. —Дх,у,г,х) - тепло, переносимое конвекцией;

-тепло, переносимое излучением. При этом: 0<х<5х; 0<у<5у; 0<г<<5Л- Х,а,р,с = /(!)

Для каждого элемента объема составляется уравнение баланса энергии:

¿a=w

el

где £Q, - сумма тепла, вошедшего в рассматриваемый элемент т по на-

правлениям за промежуток времени

- приращение внутренней энергии рассматриваемого элемента. Решение уравнения баланса энергии позволяет однозначно получить выражение для искомой температуры в следующем виде:

времени; I" - температура граничащего элемента по г - тому направлению; с" ~ с"рУ- полная теплоемкость элемента; Дт — временной шаг; Щ- термическое сопротивление по - тому направлению; - временной индекс (текущий временной слой).

На выбор шага времени налагается ограничение,

которое является общим показателем устойчивости явных схем при нелинейных коэффициентах.

Коэффициент температуропроводности а электродной заготовки принят по данным исследований института ГОСНИЭПа равным 0,00244 м2/час.

Пошаговое решение задачи реализовано в среде MCAD 2000 Pro.

Данное математическое описание позволяет рассчитывать температуру цилиндрической заготовки в режиме реального времени.

Сформированное математическое описание процессов, протекающих при обжиге углеграфитовых заготовок в камере, позволяет моделировать температурное поле камеры печи для различных вариантов конструкции печи об-

(22)

где: Г*' ,t" - температура рассматриваемого элемента П+!и п моменты

(23)

жига, температурных графиков обжига, тяговых режимов в газовом тракте печи и сортамента «зеленых» заготовок.

Модель адекватна полученным в гл. 2 результатам..

Анализ результатов моделирования тепловых процессов в камере традиционной обжиговой печи указывает на существенные недостатки в ее конструкции (в частности: неэффективное использование объема камеры; высокая тепловая инерционность загрузки в целом, и как, следствие, увеличение продолжительности обжига; локальный перегрев заготовок при сжигании газа под сводом камеры; неравномерный нагрев заготовок по высоте и т.д.).

Традиционная конструкция камеры печи обжига с 4-мя кассетами большого объема и 2-мя греющими простенками затрудняет.теплопередачу к заготовкам из-за большой,толщины засыпки (550-800 мм между греющим простенком и заготовками). Необходимы существенные конструктивные и организационные изменения в,технологии обжига, а именно: увеличение числа кассет в камере с 4 до 5 с продольным их расположением в камере по ходу огня и уменьшением толщины засыпки до 50-70 мм между греющими простенками и заготовками. Ширина кассеты должна быть уменьшена с 2000-2450 мм до 800-850 мм в целях снижения тепловой инерции камеры и более быстрого и равномерного нагрева заготовок со всех сторон при непосредственной близости греющих простенков; устройство дополнительных греющих простенков по периметру камеры для улучшения нагрева заготовок, примыкающих к внешним стенкам камеры; перенос горелок из подсводового пространства в огневые колодцы с целью устранения локального перегрева изделий верхних рядов загрузки за счет лучистого теплопереноса от факелов горелок; увеличение количества горелок с 2 до 5 (по числу кассет) для более равномерного нагрева объема загрузки и минимизации влияния подсосов холодного воздуха по периметру камеры.

Наряду с необходимостью изменения в конструкции обжиговой печи, для оптимизации технологии обжига необходимы методы и технические средства для сжигания природного газа низкого давления с возможностью регулирова-

ния тепловой производительности в широких пределах (1/15-1/20) и автоматическим поддержанием соотношения газ/воздух во всем диапазоне регулирования. При переносе газовых горелок в огневые колодцы приобретают большое значение длина и форма факела, а также температура его ядра, т. к. долговечность огнеупорной кладки колодцев напрямую зависит от условий сжигания газа.

Существующие методы и системы управления подачей и сжиганием газообразного топлива не позволяют реализовать меры по усовершенствованию технологии обжига углеграфитовых изделий в полном объеме.

Таким образом, требуется разработка методики и технических средств системы сжигания природного газа низкого давления с учетом конструктивных особенностей узкокассетной обжиговой печи с огневыми колодцами.

Для повышения эффективности процесса необходим переход от диффузионного к кинетическому сжиганию топлива и замена диффузионных горелок на инжекционные. Верхний предел используемого на обжиговых печах давления газа составляет 3000-4000 Па, а инжекционные горелки низкого давления, такие как ИГК-1-35М, имеют рабочий диапазон 3000-60000 Па, перекрывая использующийся на печах всего на 1000 Па. Для обеспечения требуемого расхода газа 5-75мэ/ час на камеру необходимо от 3 до 5 горелок, а расход газа на одну горелку должен изменяться от 1 до 25 м7час.

Для инжекционной горелки поток газа является нелинейной функцией давления газа перед соплом Р1 и давления на срезе сопла Р2, плотности газа р, площади сечения сопла Л и при давлении газа меньше критического, расчетная формула принимает вид:

где: ц - коэффициент расхода сопла горелки, равный 0,958 для угла раскрытия сопла 18 градусов; Л- площадь сечения газового сопла горелки, м2.

4. Система импульсного сжигания газа.

2

х

(24)

При давлении в 4000 Па, расход газа, определенный по формуле (24) через горелку с диаметром сопла 9,8 мм, составляет 27 м3/час. Снижение давления газа на сопле горелки (за счет увеличения коэффициента местного сопротивления путем закрытия заслонки) до 3000 Па позволит снизить расход до 23,9 м3/час. Дальнейшее понижение давления ведет к неустойчивому режиму горения факела, что и ограничивает возможность регулирования теплового режима камеры поворотными заслонками или пробковыми кранами, в условиях указанных ограничений для инжекционных горелок. Для синтеза системы автоматического регулирования режимом печи необходимо использовать иной метод управления расходом газа. А также управляющую аппаратуру, которая бы позволяла изменять расход газа в широком диапазоне [1/20-1/30] при ограничении по нижнему пределу применяемого давления газа перед соплом горелки. При этом необходимо также обеспечить заданное соотношение газ-воздух для оптимизации сжигания топлива при различных производительно-стях горелки. Применение традиционные решения не позволяют создать такую систему. В качестве альтернативы был рассмотрен импульсный метод сжигания газа, позволяющий применить теорию и аппаратуру дискретных автоматических систем управления. Реализация данного метода решает задачу автоматического поддержания заданного соотношения газ-воздух. Суть метода импульсного сжигания топлива заключается в том, что газ в горелочное устройство подается импульсами на частотах в герцовом диапазоне и поступает к соплу горелки под давлением магистрали. Расход газа определяется одновременно длительностью импульсов и частотой их следования. В момент импульса подачи газа происходит инжекция потока воздуха с расходом функционально зависимым от длительности импульса, давления на сопле горелки, скорости истечения газа и геометрического соотношения параметров горелки. В качестве горелочных устройств могут быть применены инжекционные горелки необходимой тепловой мощности, выбранные на рабочий диапазон давления газа. В электродной промышленности России систем - аналогов для обжиговых печей не существует. Исполнительным органом может служить

электромагнитный клапан, работающий с достаточно высокой частотой, при которой изменение давления за каждый цикл мало. Расход газа через клапан определяется в функции от скважности импульсов:

0 = Скл{РклРист(1Рг/Рист][М] }/>/т (25)

где: Скл - коэффициент производительности открытого клапана; Ркп - площадь сечения проходного отверстия клапана, - температура газа, скважность импульсов.

f[Pг/Pшт] = [РгУРист] - [Рг/Рисг] (26)

Значение функции / определяется соотношением Рг/Рист, которое изменяется между 0.95 и 0.88. Расчетные значения расхода газа, истекаемого из клапана в атмосферу, в зависимости от частоты импульсов / и их длительности определены по формуле (26) при избыточном давлении источника 4000 Па. С учетом падения давления на трубопроводе и на клапане, которые соответственно равны 8 и 48 Па, расход газа при изменении скважности от 0.001 до 0.98 для клапана с проходным сечением 0.0012 м2 будет находиться в диапазоне 3-35 м3/час. Для системы электроклапан - горелка (диаметр сопла горелки 9.8 мм) расчетные значения расхода газа в зависимости от длительности и частоты импульсов представлены на рис. 4.

Рис. 4. Графики теоретического расхода газа через систему электроклапан - инжекционная горелка ИГК -1-35М.

где: кривая 1 - для длительности импульсов 1 = 30 мс; кривая 2 - для длительности импульсов 1 = 60 мс; кривая 3 - для длительности импульсов 1 = 150 мс;

кривая 4 - для длительности импульсов t = 210 мс; кривая 5 - для длительности импульсов t = 240 мс; кривая 6 - для длительности импульсов t - 290 мс

Инжекция воздуха, необходимого для оптимального сгорания газа, осуществляется в моменты импульса газового потока через сопло горелки и определяется в соответствии с основным уравнением смесителя, которое определяет номинальное давление газа перед соплом обеспечи-

вающее требуемую кратность инжекции подсасываемого воздуха и скорость (V м/сек) вылета газовоздушной смеси из кратера горелки:

Рг={ 1+2 £ ±Ркс/У 2смрсм/2)}* V 2смрсм/2ц 2 V гсмрсм/2ц 2 (27) где: сумма коэффициентов местных сопротивлений; коэффициент

сопротивления по пути инжектируемого воздуха; 1/м, 1}об- массовая и объемная кратности инжекции; - давление [разрежение] в камере сгорания, Па; скорость смеси на выходе из горелки, - плотность горючей смеси, кг/м;

ц - кинематическая вязкость потока.

Разработана методика, определяющая порядок управления импульсной подачей газа в инжекционные горелки типа ИГК.

Разработана методика, определяющая порядок управления импульсной подачей газа в инжекционные горелки типа ИГК, установленных в огневых колодцах, расположенных под сводами или в межкамерных простенках камер печи обжига- Расчеты проводятся для 3-5 горелок типа ИГК-1-35М, системы импульсного сжигания газа разработки НПК ЮГЦМА и регулятора расхода газа МРРГ-1, при давлении газа в магистрали 4000 Па.

Методика определяет порядок управления частотой / и длительностью 1 импульсов подачи газа, обеспечивающих: полное безсажевое сжигание газа в топочном пространстве; устойчивое горение факела, без отрывов, погасания и проскоков пламени внутрь горелки; минимальное потребление электроэнергии системой импульсного сжигания газа; наибольший ресурс электромагнитных клапанов.

Одновременно указанные требования полностью выполняться не могут. Методика определяет порядок управления для оптимального выполнения данных требований в комплексе.

На основании методики составлена инструкция обслуживающему персоналу по ведению процесса управления системой в дистанционном режиме.

Методика предполагает следующую схему сжигания газа. Первичный воздух засасывается через муфельные каналы или колодцы простенка остывающей камеры, последовательно проходит через цепь 6-12 камер и через элефант вытягивается в борова отходящих газов. В сводах или огневых колодцах простенков головной и нескольких последующих камер находятся горелки, инжектирующие дополнительное количество воздуха. Коэффициент инжекции у горелок головной камеры наименьший и увеличивается по мере уменьшения коэффициента избытка кислорода в отходящих газах последующих камер.

При заданном расходе газа увеличение частоты импульсов до определенного значения с соответствующим уменьшением длительности уменьшает время сгорания впрыснутой порции газа и саже выделение. При дальнейшем повышении частоты, порции газа начинают сливаться по оси горелки, и характер сгорания газа опять ухудшается. Величина зависит от расхода газа, коэффициента инжекции и конфигурации горелки. Для горелки ИГК-1-35М и давления газовой магистрали 400 мм. в. ст. определен экспериментально и аппроксимируется выражением:

(28)

где: О- расход газа, м3/ч; К- коэффициент инжекции.

Для расходов газа больше 85 % от максимального условия невы-

полнимо. Для расчетного случая условием непогаса-

ния факела является выполнение соотношения:

(29)

При температурах выше 800°С газовая смесь самовоспламеняется и требование отпадает.

Условием непроскока пламени между импульсами является выполнение соотношения:

(30)

для К"=0...4

Для горелок головного простенка при К- 1-1,5 условие (ЗО)выполняется во всем диапазоне/и По результатам проведенных испытаний, выполнение данной методики обеспечивает экономию природного газа не менее 5%, а также устойчивое горение факела во всем диапазоне производительности горелки.

5. Экспериментальное исследование усовершенствованной технологии обжига углеграфитовой продукции.

Исследования проводились на камере №7 печи №2 цеха обжига №2 ОАО «НЭЗ» и охватывали полный 420-часовой цикл обжига на одной камере. На камере устанавливались: 5 горелок инжекционных ИГК-1-35М; 5 клапанов электромагнитных ЭПК 1-7; регулятор расхода газа импульсный МРРГ-1; 6 датчиков состояния газового крага (датчик крана); 5 датчиков наличия факела; 28 термопар для измерения температуры в камере и в теле заготовок; расходомер газа на камеру печи; датчик давления природного газа перед камерой. Также устанавливались 27 датчиков-«свидетелей» для определения качества обжига заготовок. В ходе исследования производился периодически (раз в 48 часов) газо-химический анализ отходящих из камеры газов на содержание

При анализе экспериментальных данных установлено, что температура в контролируемых точках и сечениях камеры имеет нелинейную зависимость от температуры газовой фазы под сводом камеры, которая может быть описана выражением для полинома пятой степени. Уравнение (31) определяет зависимость температуры в нижнем сечении камеры от температуры под сводом на расстоянии 3000 мм от горелочного устройства.

(31)

Обусловленная технологией обжига в многокамерных печах, схема подключения камер в работу вызывает изменение разрежения в камерах по ходу

обжига и, соответственно, количество, и скорость технологических газов проходящих по муфельным каналам камер. Аппроксимация полученных данных позволяет интерпретировать результат в виде полинома пятой степени (32), где X - разрежение в камере, мм. в. ст.:

(32)

Для оценки расхода топлива на тонну обжигаемых изделий, а так же динамики изменения подачи топлива на различных участках графика подъема температуры, определена временная зависимость температуры газовой фазы Тгф. от среднечасового расхода газа х.

Уравнение взаимосвязи получено в виде полинома пятой степени:

(33)

Алгоритмы непосредственное цифровое управление учитывает влияние на температуру газовой фазы одновременно и расхода газа, и разряжения.

Результаты исследований позволили получить зависимость между этими параметрами и смоделировать ее в виде квадратичного полинома (34), описывающего поверхность функции двух переменных:

Тгф. = 703,036 + 5,944*+185,044у - 0,015х2 -1,84\ху+9,876/

где: х - расход газа, м3/час; у - разрежение, мм. в. ст. Двумерный график функции приведен на рис. 5.

(34)

Рис. 5. Зависимость температуры газовой фазы от расхода газа и разряжения.

Приведенные результаты экспериментальных исследований позволяют рекомендовать вести процесс обжига по априорно качественным режимным графикам, а отклонения от них рассматривать как нарушения в технологии. Такой подход позволяет значительно стабилизировать качественные показатели обожженной продукции и минимизировать энергозатраты на выпускаемую продукцию.

6. Синтез структуры системы оптимального управления.

Кольцевую камерную печь необходимо рассматривать как непрерывно-дискретный объект управления.

Модель камеры обжиговой печи может быть описана векторным разностным уравнением состояния:

Х(к+1)=А х(к) + Bu(k) + Fv(k) (35)

и уравнением выхода

у(к)=сх(к) + п(к), (36)

где х(к), и(к), v(к) - векторы переменных состояния, выхода, управления и внешних возмущений; А.В.С^- матрицы состояния, управления, выхода и входа системы; к= 1, 2, 3,...- дискретные моменты времени.

Идентификация модели камеры, представленной выражением (35) и (36), проводится обобщенным рекуррентным методом наименьших квадратов, объединяющим рекуррентные методы параметрической идентификации динамических объектов и случайных сигналов

При идентификации модель объекта представляется исходным уравнением вида:

у(к) = <Р(к)е(к-1) + £(к) (37)

где: - оценка вектора данных;

- вектор оценок параметров; - ошибка уравнения. Оценки параметров вычисляются с помощью рекуррентной формулы: 0(к+1) == 0(к-1) + ф)[у(к+1) -ф+1) Щк)] (38)

где - вектор коррекции, определяемый соотношением:

У(к)=Р(к+1)ср(к+1) (39)

где: - ковариационная матрица вектора оценок параметров. Для оценки значений случайного сигнала у(к) = е(к), являющихся компонентами вектора данных <р(к+1), применяется соотношение:

Ф) =У(к) - Ф+1) в(к-1) (40)

Синтез алгоритма управления обжиговой печью требует определения критерия управления, позволяющего объективно оценить экономическую эффективность работы объекта. В качестве критерия управления принята функция зависящая от управляющих воздействий и представляющая собой переменную часть себестоимости производства обожженных электродов при ограничениях на качественные показатели изделий. Поскольку затратные статьи производства обожженных электродов, такие как углеграфитовое сырье, пек, засыпка, электроэнергия, заработная плата, могут быть отнесены к условно-постоянным затратам, определяемыми технологией производства, то в переменной части себестоимости основным показателем является расход топлива -природного газа, отнесенного к единице качественной готовой продукции:

при выполнении условий: N,¿N^,1 Л, Д, г Д,, где: АГ,- пористость электрода; я,- удельное электросопротивление Оч/м 10 (Е-6); £>,- предел прочности на сжатие, тп1м2;Ц„- цена 1000л<3 газа;

объем природного газа, «'; Т- температура, "С; Мэ- масса единицы обожженного изделия, кг.

Формирование качественных показателей обожженных изделий всецело зависит (при одинаковых начальных условиях) от температурных условий обжига. Для реализации критерия (41) необходимым условием является минимизация отклонения заданной и поддерживаемой в газовой фазе камеры температуры. Выполнение этого условия обеспечивается изменением количе-

ства тепла, подаваемого в камеру за счет сжигания природного газа посредством системы импульсного сжигания топлива под управлением автоматизированной системой управления с широтно-импульсной модуляцией управляющего воздействия. Система управления обжиговой печи спроектирована в виде двухуровневой иерархической. Принципиальная схема автоматизации для камеры обжиговой печи приведена на рис. 6.

Установка включает контроль давления и расхода газа, температуры и разрежения в камере, состояния датчиков-блокираторов кранов в магистрали подачи газа, управление частотой и длительностью срабатывания электроклапанов, расчет и сравнение заданной и поддерживаемой температуры газовой фазы, анализ состояния технологических параметров и

Рис. 6. Принципиальная схема автоматизации для камеры обжиговой печи.

Приняты следующие обозначения: поз. 1-датчик давления природного газа; поз. 2 - датчик разрежения в камере; поз. 3 - датчик расхода природного газа; поз. 4 - датчик температуры газовой фазы; поз. 5 - электромагнитные клапана; поз. 6 - датчики - блокираторы положения запорных клапанов; поз. 7-поз. 10 - вторичные показывающие и регистрирующие приборы; поз. 11 - регулятор расхода природного газа; поз. 12 - дешифраторы состояния запорных клапанов.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1. На основе экспериментальных и теоретических исследований разработана математическая модель физико-химических и тепловых процессов обжига углеграфитовой продукции.

2. Разработана методика расчета, позволяющая определять температуру в углеграфитовых заготовках для различных технологических режимов обжига и конструктивных особенностей печей обжига.

3. Определена зависимость изменения коэффициента теплопередачи от дымовых газов к поверхности греющих простенков при изменении температуры газов от 200 до 1300°С и расхода дымовых газов от 1000 нм3/ час до 15000 НМ1/ час

4. Разработаны и внедрены на ОАО «Новочеркасский электродный завод» (ОАО «НЭЗ») решения по изменению конструкции обжиговой печи, что позволило улучшить условия теплопередачи и повысить производительность печи.

5. Выполнен расчет для усовершенствованной технологии обжига, при которой сжигание природного газа осуществляется в огневых колодцах, а не в подсводовом пространстве камеры печи. Такой способ сжигания газа позволил снизить перепад температуры по высоте камеры с 200-250°С до 80°С, что существенно улучшило качественные показатели обожженной продукции.

6. Теоретически обосновано применение метода импульсного сжигания топлива для обжиговых печей закрытого типа, работающих на низком давлении газа. Разработаны и внедрены на ОАО «НЭЗ» средства и методы импульсного сжигания топлива с заменой диффузионных горелок на инжекци-онные.

7. Разработана методика расчета устойчивого горения факела инжекци-онных горелок в импульсном режиме при герцовом диапазоне частот подачи топлива с его полным безсажевым сжиганием.

8. Исследованы основные параметры процесса обжига для печи новой конструкции с импульсным сжиганием топлива и определены статистические зависимости между параметрами технологического процесса.

9. Экономический эффект от внедрения результатов работы на ОАО «НЭЗ» составил 10 млн. рублей на одной печи в год.

Суммарный расход газа на тонну обожженной продукции при конечной температуре обжига 1250°С составил 0,197 т. у. т., при расходе на печах старой конструкции 0,232 т. у. т. Сокращение расхода газа при обжиге составляет 1517%.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Фокин В.П., Малахов А.А., Малахов С.А., Сошкин СВ. Усовершенствование технологии обжига электродных материалов.// Цветные металы. М.-2002.-№4.- С.48-52.

2. Сошкин СВ., Антонин А.С., Малахов СА. Автоматизированные системы управления в производстве электродной продукции.// 3-ий международный семинар «Новые средства и системы автоматизации в горнообогатительном производстве, металлургии и экологию), 2002 г., г. Москва.

3. Сошкин СВ., Аминов А.Н., Малахов СА, Теоретические аспекты и практическая возможность создания систем управления обжига при низком давлении топлива// 3-я научно-практическая конференция «Алюминий Урала-98», 1998 г., г. Краснотурьинск. -С.64-68.

4. Сошкин СВ., Малахов С.А. Проектирование оптимальной системы управления обжигом электродных изделий.// Международная конференция «Информационные технологии и системы: наука и практика», 2003 г., г. Владикавказ.

5. Сошкин СВ., Малахов СА. Численные решения задачи теплообмена в камере обжиговой печи.//Сб. научных трудов СКГТУ.- 1998 г., г. Владикавказ.

6. Малахов СА. Методика численного решения задачи теплообмена в камере обжиговой печи.// ОАО «Новочеркасский электродный завод». - 2001 г.- г. Новочеркасск, 7с: ил.- Библиогр. 2 назв.- Рус- Деп. в ВИНИТИ.

7. Малахов СА. К возможности использования импульсного сжигания природного газа низкого давления в камерных печахУ/ ОАО «Новочеркасский электродный завод». -2001 г -г. Новочеркасск,. 9с: ил.- Библиогр. 4 назв.- Рус- Деп. в ВИНИТИ.

8. Малахов СА. Проектирование оптимальной системы управления обжигом электродных заготовок в камерных печах.// ОАО «Новочеркасский электродный завод». - 2001 г.- г. Новочеркасск, 7с: ил.-Библиогр. 3 назв.-Рус.-Дсп в ВИНИТИ.

Сдано в набор 22.05.2004 г., подписано в печать 24.05.2004 г.

Гарнитура Таймс. Печать трафаретная. Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 18. Тираж 100 экз. Заказ № 47.

Типография ООО НПКП «МАВР», Лицензия Серия ПД № 01107, 362040, г. Владикавказ, ул. Августовских событий, 8, тел. 44-19-31

N21 2 5 2 8

Введение

Глава 1. Современное состояние технологии обжига углеграфитовых изделий

1.1. Технология электродного производства и влияние обжига на качество углеграфитовой продукции

1.2. Режимы обжига изделий

1.3. Обжиговые печи

1.4. Уровень автоматизации процессов обжига электродов 19 Выводы по главе

Глава 2. Исследование механизма и кинетики процесса обжига углеграфитовой продукции

2.1. Процессы, протекающие при обжиге

2.2. Теоретические основы формирования структуры углеграфитовой заготовки в процессе обжига

2.3. Влияние скорости подъема температуры на процессы при обжиге

2.4. Миграция связующего при обжиге электродов

2.4.1. Влияние гравитации на перемещение связующего

2.4.2. Влияние скорости нагревания на перемещения связующего

2.4.3. Влияние градиента температур 57 ф 2.5. Режимы обжига электродов в многокамерных сводовых печах

Выводы по главе

Глава 3. Разработка математической модели процесса обжига в многокамерной обжиговой печи

3.1. Решение задачи теплообмена между дымовыми газами и муфельным каналом печи

3.2. Решение задачи теплопроводности в теле заготовки

3.3. Математическое описание процесса удаление продуктов термического разложения органической массы 3.4. Моделирование изменения плотности заготовки при обжиге

Выводы по главе

Глава 4. Разработка системы импульсного сжигания газа

4.1. Теоретическое обоснование применения импульсного сжигания газа

4.2. Промышленная реализация системы импульсного сжигания газа.

4.3. Определение рационального диапазона частоты и длительности импульсов подачи газа 92 Выводы по главе

Глава 5. Экспериментальное исследование усовершенствованной

• технологии обжига в узкокассетной камере обжиговой печи

5.1. Разработка методики исследований

5.2. Результаты экспериментальных исследований 103 Выводы по главе

Глава 6. Разработка системы управления процессом обжига

6.1. Разработка алгоритмов управления процессом обжига

6.2. Структура технических средств системы управления технологическими процессами обжига

Актуальность темы.

Применение углеграфитовой продукции в черной и цветной металлургии определяет эффективность пирометаллургических процессов в целом [1,2].

Однако качество применяемых отечественных углеграфитовых материалов не всегда соответствуют возрастающим требованиям, а высокие издержки их изготовления снижают рентабельность электродного производства [3-6].

Одним из важнейших переделов производства углеграфитовой продукции, определяющим качественные и экономические показатели, является обжиг в многокамерных печах закрытого типа [7].

Технология обжига "зеленых" изделий в используемых в отечественной практике камерных кольцевых печах имеет ряд негативных показателей [8], в т.ч.:

- высокий выход брака, который объясняется значительным (до 280°С) перепадом температуры по высоте загрузки

- существенный перерасход природного газа (на 40-50 % от теоретически возможного);

- низкий уровень автоматизации процесса обжига.

Это значительно снижает эффективность процесса обжига и приводит к неоправданным затратам энергетических и финансовых ресурсов в производстве углеграфитовой продукции.

За 50-ти летнюю практику эксплуатации и модернизации печей обжига эти недостатки устранить не удалось.

Интенсификация обжига, связанная с увеличением выпуска продукции, уменьшением невозвратных потерь и улучшением качества, возможно только на основе развития научных представлений о ходе процесса, совершенствовании технологии и конструкции технических средств. Развитие научных представлений о процессе, совершенствование технологии обжига углеграфитовых продукции являются актуальными научно-техническими проблемами.

Цель работы.

Повышение эффективности технологии обжига углеграфитовых изделий. Исследование и совершенствование технологии обжига углеграфитовой продукции в многокамерных печах обжига закрытого типа, разработка комплекса технических и технологических мероприятий по модернизации технологии обжига на основе развития научных представлений о процессах, протекающих в кольцевых камерных печах.

Методы исследования.

Обобщение теоретических и практических положений в технологии обжига углеграфитовых заготовок и их критический анализ. Теоретическое исследование физико-химических и тепловых процессов, протекающих в камере обжиговой печи в процессе обжига. Лабораторные и промышленные исследования процесса методами пассивного и активного экспериментов. Статистические методы исследования. ЭК - метод определения параметра обоженной продукции.

Наиболее существенные научные результаты работы.

1. На основе экспериментальных и теоретических исследований разработана математическая модель физико-химических и тепловых процессов обжига углеграфитовой продукции.

2. Разработана методика расчета, позволяющая определять температуру в углеграфитовых заготовках для различных режимов обжига и конструктивных особенностей печей обжига.

3. Определена зависимость изменения коэффициента теплопередачи от дымовых газов к поверхности греющих простенков при изменении температур газов от 300 до 1300°С и расхода дымовых газов от 1000 нм3/ час до 15000 нм3/ час .

4. Теоретически обоснована возможность создания импульсной системы сжигания топлива для обжиговых кольцевых камерных печей при использовании в качестве топлива природного газа низкого давления.

5. Разработана структура системы управления процессом обжига с импульсным сжиганием газа.

I» 6

Практическая ценность.

Усовершенствованна технология обжига углеграфитовой продукции в многокамерных обжиговых печах закрытого типа.

Предложена схема конструкции узкокассетной камеры с шестью продольными греющими простенками.

Снижен удельный расход природного газа с 0,232 т.у.т. на тонну обоженной продукции до 0,197т.у.т. Экономия топлива составила 15%.

Увеличена производительность печи обжига на 40% по загрузке ее продукцией.

Получен эффект от внедрения результатов работы 10 млн. рублей на одной

• печи в год.

Снижен уровень брака с 20-30% до 2-3%.

Внедрена система импульсного сжигания топлива и управления 2 обжиговыми 30-ти камерными печами на ОАО «Новочеркасский электродный завод» и ОАО «Новосибирский электродный завод».

Положения, выносимые на защиту.

1 .Математическая модель физико-химических и тепловых процессов обжига углеграфитовой продукции.

2.Методика расчета температуры углеграфитовых заготовок для различных режимов обжига и конструктивных особенностей печей обжига.

3. Конструктивные изменения камер обжиговой печи.

4. Замена диффузионного сжигания топлива на инжекционное.

5. Способ импульсного сжигания топлива на частотах от 0,3 до 3,3 Гц и длительностью импульсов от 30 до 270 мс.

Апробация работы.

Положения диссертационной работы доложены автором и обсуждены на 3-ей региональной конференции «Алюминий Урала», г. Краснотурьинск, 1998 г., 3-ем международном семинаре «Новые средства и системы автоматизации в горнообогатительном производстве, металлургии и экологии», г. Москва, 2002 г., на международной конференции «Информационные технологии и системы: наука и практика», г. Владикавказ, 2002 и 2003 г.

Публикации.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 8-ми печатных работах.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из шести глав, списка литературы из 112 наименований, 52 рисунков, 12 таблиц и 3 приложений. Основная часть работы изложена на 110 стр. текста, выполненных с применением печатающих и графических устройств вывода ЭВМ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. На основе теоретических и экспериментальных исследований предложена гипотеза о механизме процесса обжига

2. Разработана математическая модель процесса обжига включающая решение задач теплообмена между дымовыми газами и муфельными каналами печи, теплопроводности в теле заготовки, процесса выделения летучих продуктов термической деструкции, изменения плотности заготовки при обжиге.

Разработана методика расчета, позволяющая определять температурное поле камеры обжиговой печи, а также углеграфитовых заготовок для различных режимов обжига и конструктивных особенностей печей обжига.

Выявлена закономерность изменения коэффициента теплопередачи от дымовых газов к поверхности греющих простенков. Установлено, что максимальное значение коэффициента теплопередачи соответствует температурному диапазону 700-800°С.

Подготовлены технические предложения по изменению конструкции обжиговой печи с целью улучшения условий теплопередачи и повышения производительности печи.

Выполнен расчет для усовершенствованной технологии обжига, при которой сжигание природного газа осуществляется в огневых колодцах, а не в подсводо-вом пространство камеры печи. Такой способ сжигания газа позволил снизить перепад температуры по высоте камеры с 200-250°С до 80°С, что существенно улучшило качественные показатели обожженной продукции.

2. Теоретически обосновано применение метода импульсного сжигания топлива для обжиговых печей закрытого типа, работающих на низком давлении газа.

Разработаны средства и методы импульсного сжигания топлива с заменой диффузионных горелок на инжекционные.

Разработана методика устойчивого горения факела инжекционных горелок в импульсном режиме при герцовом диапазоне частот подачи топлива с его полным безсажевым сжиганием.

Щ lis

Кратность регулирования тепловой производительности системы составляет 1/20, что полностью удовлетворяет требованиям технологии обжига.

Реальная расходная характеристика системы имеет выраженный линейный характер, что позволяет использовать ее при синтезе автоматической системы управления температурным режимом обжига углеграфитовых изделий в камерных печах.

3. Исследованы основные параметры процесса обжига для печи новой конструкции с импульсным сжиганием топлива. Суммарный расход газа на тонну обожженной продукции при конечной температуре обжига 1250°С составил 0.197 т. у. т., при расходе на печах старой конструкции 0.232 т. у. т. Сокращение расхо

Щ да газа при обжиге составляет 15-17%.

Полученные зависимости позволяют прогнозировать температуру в различных точках обжигаемого изделия в процессе всего цикла обжига и, что наиболее важно, контролировать температурный градиент в теле заготовки во время обжига.

4. Разработана система управления процессом обжига, аппаратура для ее технической реализации. Точность ведения процесса обжига в автоматическом режиме с использованием адаптивных алгоритмов управления составляет ±2°С.

5. Экономический эффект от внедрения результатов работы составил 10 млн. рублей на одной печи в год. т

1. Чалых Е.Ф. Очерки по истории зарубежной электродной промышленности." М.:МИСИС, 1995.-160 с.

2. Чалых Е.Ф. История электродной и электроугольной промышленности России.- М.: Металлургия, 1992.-224 с.

3. Селезнев А.Н., Шипков H.H. Электродное производство сегодня //Цветные металлы.-1996.- №12.- С. 48-49.

4. ТУ на блочную продукцию ТУ 1913-001-00200992-95, 1995 г.

5. R&D Carbon Ltd. Anodes for Aluminium Industry //1-st Eddition.1995. Sierre • (Switzerland).- 394 h.

6. Селезнев A.H. Производство углеродной продукции в России и перспективы ее использования в черной и цветной металлургии //Сб. науч. Тр./Уралэлектродин- Челябинск, 1999.- С.5-11.

7. Фиалков А. С. Углеграфитовые материалы.- М.: Энергия, 1979.- 320 с.

8. Чалых У.Ф. Оборудование электродных заводов.- М.: Металлургия, 1990.

9. Санников А.К., Сомов А.К., Ключников В.В. и др. Производство электродной продукции. М.:- Металлургия,- 1985.- 129 с.

10. Янко Э.А. Аноды алюминиевых электролизеров. М.: Издательский дом «Руды и металлы».- 2001.- 670с.

11. Лукина Э. Ю., Николаев А. И. Структура и свойства углеродных мате* риалов. Науч. тр. НИИграфит. М.:- Металлургия.- 1987,- С. 26-31.

12. Островский В. С., Виргильев Ю. С., Костиков В.И., Шипков Н. Н. Искусственный графит.- М.: Металлургия- 1986.-272 с.

13. Френкель Я.И. //Журнал физики. 1945. Е. 9. с. 385-390.

14. Сумм Б. Д., Горюнов Ю. В. Физико-химические основы смачивания и растекания.-М.: Химия.- 1976.

15. Гегузин Я.Е. Физика спекания. М.: Наука.- 1984.

16. Чалых Е.Ф. Обжиг электродов.- М.: Металлургия,- 1981.-116 с.

17. Фиалков A.C. Формирование структуры и свойств углеграфитовых материалов.- М.: Металлургия.- 1965.-288с.

18. Рогайлин М.И., Чалых Е.Ф. Справочник по углеграфитовым материалам.-Л.: Химия, 1974.- 206 с.

19. Крылов В.Н., Вильк Ю.Н. Углеграфитовые материалы и их применение в химической промышленности.- Л.: Химия, 1965.- 145 с.

20. Фиалков A.C. Углерод, межслоевые соединения и композиты на его основе.- М.: Аспект Пресс, 1997,- 717 с.

21. Колодин Э. А., Свердлин В. А., Свобода Р. В. Обжиг анодов для алюминиевых электролизеров. М.: ЦНИИцветмет, 1980. 42 с.

22. Колодин Э. А., Свердлин В. А., Свобода Р. В. Производство обоженных анодов алюминиевых электродов. М.: Металлургия, 1980. 80 с.

23. Чалых Е.Ф. Технология углеграфитовых материалов. М.:- Металлургиз-датю.- 1963.- 304 с.

24. Колодин Э. А., Свердлин В. А., Свобода Р. В. Обжиг анодов для алюминиевых электролизеров. М.:- ЦНИИцветмет.- 1980.- 42 с.

25. Колодин Э. А., Свердлин В. А., Свобода Р. В. Производство обожженных анодов алюминиевых электродов. М.:- Металлургия.- 1980.- 80 с.121

26. Технический отчет по выполнению теплотехнических испытаний кольцевой 30-ти камерной печи №2 цеха обжига №2 ОАО «НЭЗ». ОАО «ЭНЕРГО-ЧЕРМЕТ». Ростов-на-Дону. 2000.

27. Keller F., Oberdolz S. Process controlled operation of backing furnaces. Alu-chemic and Alusuisse R&D Carbon (Netherlands, Switzerland).

28. Hyvernat P., Fayet P., Lemorchand J.L. Aluminium Pechiney, AIME. //Light Metals. 1983. P. 821 -841.

29. Axel J. Rolf. Hoogovens AI Hottenwerk GmbH, AIME // Light Metals. 1992. P. 739-745.m

30. Gerald F. Covanec. Century Aluminium of West Virginia, AIME // Light Metals. 2000. P. 573 578.

31. Sulzberger P. W., Bacon J.K. Comalko Aluminium Limited, AIME // Light Metals. 1989. P. 547-551.

32. Morbert A. Ambenne, Hero M. Bhavnani. Volta Auminium Ltd, AIME // Light Metals. 1989. P. 553 -562.

33. Mannweiler U., Sulzberger P., Oberdolz S. R&D Carbon, AIME // Light Metals. 1991. P. 635 639.

34. Leisenberg W. Innovatherm prof. Or. Leisenberg GmbH + Co. KG, AIME // Light Metals. 1999. P. 579 584.

35. Mainwald D., Schneider M. LVE Verfarenselektronic GmbH, AIME // Light Metals. 2000. P. 487-491.

36. Schneider M. Results of the installation of the new Prebake Firing and Control System. Hoogovens Voerde. Intern, business report. 1999.

37. Oberdolz S., Muhlemann О. R&D Carbon, AIME // Light Metals. 1978. P. 315

38. Молокова Т. Д., Нонишева Н.П., Фокин В.П. и др. Исследование процесса обжига углеродных заготовок в жаростойких контейнерах. Производство электродной продукции. Сб. науч. тр. М.-НИИграфит- 1984- С. 37-43

39. Лутков А.И., Калинин Э.В. Особенности обжига углерод-углеродных изделий в электрических печах. //Композиционные материалы на основе углерода. Сборник научных трудов НИИграфит.- М.- 1991.- С. 14 16.

40. Riedhammer GmbH & Co. KG. Comparison between Open and Closed Carbon Baking Furnace/90332 Nuremberg. 1993.

41. Сошкин C.B., Априамов В.Н., Жуковецкий О.В. и др. Импульсная система управления температурным режимом обжиговых печей. //Цветная металлургия.- 1988.- №11.- С.36-37.

42. Царахов С.С., Сошкин C.B., Жуковецкий О.В. Разработка приборов для контроля высоких температур в металлургии.// «Электронные приборы и системы в промышленности». (Тезисы докладов к научно-техническому совещанию)-Орджоникидзе.- 1989.- С.21-22.

43. Пеккер И.И., Савин М.М., Васильева В.Д. и др. Возможности автоматизации обжиговой печи.//Совершенствование технологии и улучшение качества электродной продукции: Сб. науч. Тр. /ГосНИИЭП.- Челябинск.- 1976.- С.77-87

44. Сошкин C.B. К возможности создания импульсной системы сжигания топлива для камерных печей. Цветная металлургия, 1998, №3, с.55-58.

45. Сошкин C.B. Система управления обжигом электродных изделий в камерных печах и технические средства для ее реализации. Состояние и перспективы автоматизации в цветной металлургии. Тезисы докладов к конференции. Москва, 1995, с.8-9.

46. Сошкин C.B. Проектирование оптимальной системы управления обжигом электродных изделий в камерных печах. Цветная металлургия, 1998, с.68-72.

47. Сошкин C.B., Априамов В.Н., Жуковецкий О.В. Цветные металлы, 1987,9.

48. Сошкин C.B. Системы оптимального управления обжигом электродных заготовок. Цветные металлы, 1998, №3, с.66-70.

49. Лысова Г.А., Слепова В.М., Мочалов В.В. О требованиях к нефтяным пе-кам. //Совершенствование технологии и улучшение качества электродной продукции: Сб. науч. Тр. /ГосНИИЭП,- Челябинск.- 1988.- С.30-36.

50. Фиалков A.C., Варлаков В.П., Смирнова Т.Ю. Микроструктура нефтяного и пекового коксов. //Химия твердого топлива.- 1994.- №2.- С.49-53.

51. Бабенко Э.М., Ильина М.Н., Плевин Г.В. Исследование пиролизных пе-ков как связующего и пропитывающих материалов для производства графитиро-ванных электродов. //Химия твердого топлива.-1981.- №4,- С.117-122.

52. Сомов А.Б., Телегин A.C., Молокова Т.Д. К вопросу о повышении качества прокаливания углеродного сырья во вращающихся печах. //Совершенствование технологии и улучшение качества электродной продукции: Сб. науч. Тр. /ГосНИИЭП.- Челябинск, 1988.- С.36-46.

53. Лукина Э.Ю., Рогозин В.В., Лаврухин П.Ф. и др. Исследование влияния предварительной сушки непрокаленного кокса на поведение при обжиге композиций на его основе.//Конструкционные материалы на основе углерода, № 12, М.:-Металлургия.- 1977.- С. 15-18.

54. Устинов Ю.В., Дьяконов Л.И., Новикова Р.И. и др. Особенности освоения технологии изготовления прессованных изделий из углеродных масс. //Разработка и освоение новых видов продукции: Сб. науч. Трудов/НИИграфит, ГОСНИИЭП.-Москва.- 1987.-С. 44-48.

55. Полисар Э.Л., Виноградова К.П. Методы подбора содержания связующего в пресс-массах. //Конструкционные материалы на основе углерода: Сб. науч. Трудов НИИграфит.- М.:- Металлургия, 1977.- С.11-15.

56. Дьяконов Л.И., Устинов Ю.В., Новикова Р.И. и др. Вакуумирование массы и физико-механические показатели углеродных изделий. //Разработка и освоение новых видов продукции: Сб. науч. Трудов/НИИграфит, ГОСНИИЭП.-М., 1987.-С.40-44.

57. Балыкин В.П., Зайцев В.А., Санников А.К. и др. Влияние способов тонкого измельчения наполнителей на свойства углеродных композиций. //Разработка и освоение новых видов продукции: Сб. науч. Трудов/НИИграфит, ГОСНИИЭП.-Москва,- 1987.-С. 52-59.

58. Островский B.C., Синельников Л.З., Лукина Э.Ю. и др. Изучение усадки нефтяного пиролизного кокса при термообработке. //Композиционные материалы на основе углерода. Сборник научных трудов НИИграфит.- Москва.- 1991.- С. 8 -14.

59. Чалых Е.Ф. Технология углеграфитовых материалов. М.:- Металлургиз-датю.- 1963.-304 с.

60. Свердлин В.А., Ласукова Л.П., Литвинов Е.В. //Цветные металлы.- 1980.-№3.- С. 56-59.

61. Claver J.E., Coste В. Aluminium Peshiney, AIME// Light Metals. 1993. P 641645.

62. Каргин B.A., Платэ H.A., Журавлева В.Г.// Высокомолекулярные соединения. 1961. №4.

63. Лежнев H.H., Терентьев А.П., Новиков И.С.// Каучук и резина. 1961. №11.

64. Аграскин A.A., Чижевский Н.П. Коксование.- М:Металлургиздат, 1948.

65. Fisher W.K., Keller F., Perruchoud R.C., Oberdolz S. R&D Carbon, AIME//Light Metals. 1993. P. 683 689.

66. Свердлин B.A., Приезжая Г.А., Янко Э.А. // Light Metals. VAMI. 1991. P. 673 678.

67. Свердлин B.A., Щукин В.А.// Цветные металлы. 1978. №12. С. 31-35.

68. Martirena H. ALUAR Alumino Argentino, AIME// Light Metals. 1983. P.749764.

69. Fisher W.K., Keller F., Perruchoud R.C., Oberdolz S. R&D Carbon, AIME// Light Metals. 1993. P. 683-689.

70. Огнеупоры. Технология и ремонт печей. Пер. с яп./ Под ред. Панарина А.П.-М.: Металлургия, 1980.

71. Colin Р. Hughes. Comalco Reserch Centre, AIME// Light Metals. 1996. P. 521-527.

72. McClung M., Ross I.R., Chavanec G. Century Al of West Virginia, AIME// Light Metals. 2000. P. 573-479.

73. Воронков И.М. Явление переноса в капиллярно-пористых телах. М.:-Физмат.- 1961- 314 с.

74. Сухоруков И. Ф. Бюллетень «Цветная металлургия», 1963, № 22.

75. Сухоруков И. Ф., Костарева Т. В., Шляпин Г. Е и др. Цветные металлы, 1964, №3.

76. Теплотехнические расчеты при автоматизированном проектировании нагревательных и термических печей (справочник) / Под редакцией А.Б. Усачева // «Стальпроект», Научные труды, М:, Черметинформация, 1999, 185 с.

77. В.А. Арутюнов, В.В. Бухмиров, С.А. Крупенников, Математическое моделирование тепловой работы промышленных печей, М:, Металлургия, 1990, 240 <387. Крейт Ф., Блэк У. Основы теплопередачи. М.: Мир, 1983.

78. Беляев H. М., Рядно А. А. Методы теории теплопроводности. В 2-х ч,-М.:- Высшая школа.-1982

79. Казанцев Е. И. Промышленные печи. 2-е изд., перераб. и доп.- М.: Метал-лургия.-1975.-385 с.

80. Пустовалов В.В. Теплопроводность огнеупоров.- М.: Металлургиэдат, 1966.84с.

81. Обросов В.П., Молокова T.JL, Лошкарева JI.H. Обоснование выбора огнеупоров для обжиговых и графитировочных печей. Производство электродной продукции. Сб. науч. тр. М.-НИИграфит- 1984- С.43-52

82. Осташевская Н.С., Лоскутова E.H. и др. Изменение свойств антрацитов Горловского бассейна при термической обработке.- В сб. Совершенствование технологии и улучшение качества электродной продукции.- №7- Челябинск-1975- С. 146-152

83. Телегин A.C., Швыдкий B.C., Ярошенко Ю.Г. Термодинамика и тепломассо-перенос.- М.: Металлургия, 1980.

84. Смирнова В.Ю., Кузин Б.Н., Кузнецов В.В. Исследование теплофизиче-ских свойств сыпучих углеродных материалов в процессе нагрева до 1800°С. Производство электродной продукции. Сб. науч. тр.- М.:-НИИграфит- 1984- С. 107113

85. Лутков А.И., Михайлов В.Н., Хижняк П.Е. Контактное термосопротивление углеродных засыпок. //Композиционные материалы на основе углерода. Сб. науч. Тр. НИИграфита.- Москва.-1991-С. 39-41

86. Лутков Э.Ю, дымов Б.К., Волга В.И. тепло- и электропроводность конструкционного графита в интервале 80-2500°К //Конструкционные материалы на основе графита: Сб. науч. тр. /НИИграфит- М.: Металлургия, 1969.- №4.- С. 59-66.

87. Соседов В.П. Свойства конструкционных материалов на основе углерода. Справочник под редакцией Соседова В.П. М.: металлургия, 1975- 335с.

88. Шулепов C.B. Физика углеродных материалов. Челябинск: Металлургия, 1190.-336с.

89. Сошкин C.B., Малахов С.А. Численное решение задачи теплообмена в камере обжиговой печи. //Сб. научных трудов СКГТУ.- Владикавказ.- 1998.- С. 64-68.

90. Короленко Ю.А., Степанцова Л.Г. Расчет сопряженных температурных полей с помощью ЭЦВМ. Челябинский политехнический институт имени Ленинского комсомола. Челябинск, 1979.

91. Ваничев А.П. Приближенный метод решения задач теплопроводности при переменных константах.- «Известия АН СССР. ОТН» 1946, №12

92. Butter J., Bongers A. NV Gouda Vuuzvast, AIME// // Light Metals. 1995. P. 633 639.

93. McCollum J.M. Harbison-Walker Refractories, AIME// // Light Metals. 1985. P. 1125 1139.

94. Теплотехнический справочник. Под редакцией Юренева В.Н. М.: Энергия, 1970.

95. Охотин A.C., Боровикова Р.П., Нечаева Т.В. и др. Теплопроводность твердых тел. Справочник под редакцией Охотина A.C.- М.: Энергоиздат, 1984.-320с.

96. Померанцев B.B. Основы практической теории горения. Л.: Энергоиз-дат, 1973.-352с.

97. Сошкин C.B. Текиев Ю.М. АСУТП прокалки кокса в трубчатых вращающихся печах. М. Цветная металлургия, 1989 г № 2

98. Отчет о НИР «Исследование процесса обжига электродных изделий в камерных печах, г. Орджоникидзе. СКГМИ .1973 г.

99. Цацкина Т.З., Михайлов В.Н., Рудков A.M., Кутейников А.Ф. Цветные металлы,1989, №8.

100. Таннер Дж., Дайтикер В. Тр. 2-ой Международный конгресс «Автоматизация процессов управления». М.,Наука, 1965.

101. Теоретические основы теплотехники. Справочник. М.:-Энергоатомиздат, 1988.

102. Сошкин C.B., АминовА.Н., Малахов С.А.Теоретические аспекты и практическая возможность создания систем управления обжига при низком давлении топлива. // 3 научно-практическая конференция «Алюминий Урала 98», г. Крас-нотурьинск, 1998.

103. Фокин В.П., Малахов A.A., Малахов С.А., Сошкин C.B. Усовершенствование технологии обжига электродных материалов. //Цветные металлы,- 2002.- №4.- С. 48-52

104. Изерман Р. Цифровые системы управления. М.: Мир.- 1984.

105. Сошкин С. В., Антонян А. С., Малахов С.А. Автоматизированные системы управления в производстве электродной продукции.// 3-ий семинар «Новые средства и системы автоматизации в горном производстве, металлургии и экологии». Москва, 2002 г.-С. 7-8

106. Сошкин С. В., Малахов С.А. Проектирование оптимальной системы управления обжигом электродной продукции.// Международная конференция «Информационные технологии и системы: наука и практика », г. Владикавказ, 2003 г.