автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Совершенствование тепловых процессов с целью повышения качества обжига заготовок из углеродистых материалов

На правах рукописи

ШИБАЛОВ

Сергей Николаевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА ОБЖИГА ЗАГОТОВОК ИЗ УГЛЕРОДИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.16.02 «Металлургия черных, цветных и редких металлов»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2004

Работа выполнена на кафедре Теплофизики и экологии металлургического производства Московского государственного института стали и сплавов (технологического университета)

Научный руководитель:

Доктор технических наук, заслуженный деятель науки и техники РФ, профессор Кривандин В.А.

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Глинков Г.М. Кандидат технических наук Плужников А.И.

Ведущее предприятие:

ОАО « Институт Стальпроект»

Защита диссертации состоится 22 апреля 2004 года в 1000 часов (аудитория № 305) на заседании диссертационного совета Д.212.132.02 при Московском государственном институте стали и сплавов (технологическом университете) по адресу: 119049, Москва, Ленинский проспект, д. 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного института стали и сплавов (технологического университета)

Автореферат разослан: 19 марта 2004 года Справки по телефону: (095) 230-45-26

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В последние десятилетия практически во всех отраслях промышленности заметно возросла роль изделий на основе искусственных графитов. Они нашли свое применение в металлургии, машиностроении, энергетике, авиации и ракетостроении. В тоже время расширение сортамента продукции этого вида и повышение качества готовых изделий сдерживается как относительно высокими затратами на их изготовление, так и уменьшением количества пригодных для использования каменноугольных, нефтяных и пековых коксов и смол. Следует отметить, что производство искусственных графитов сопровождается выделением значительного количества экологически вредных летучих веществ.

Разработка технологических приемов переработки менее качественных исходных материалов и рациональное использование энергии с учетом влияния выбросов на окружающую среду является крайне важной, актуальной задачей. Качество конечных изделий на основе искусственных графитов во многом определяется режимом проведения операции обжига. Обжиг является основной технологической операцией, требующей существенных энергетических затрат. На этой стадии переработки исходных шихтовых материалов закладывается структура будущего изделия, определяющая его основные свойства. Используемые в настоящее время обжиговые печи удовлетворяют не всем предъявляемым требованиям.

Стремительное развитие средств вычислительной техники и средств математического обеспечения, включая численные методы реализации сложных математических моделей, позволяют получать достаточно точную и обширную информацию о различных тепловых процессах путем проведения вычислительных экспериментов. Этот метод исследования позволяет существенно сократить как сроки разработки рациональных тепловых режимов, так и затраты на их разработку.

Цель работы. Целью данной диссертационной работы является: разработка рациональных режимов обжига углеграфитовых заготовок, рекомендаций по их осуществлению и совершенствованию, рекомендаций по модернизации конструкций печей обжига и систем их отопления методом математического моделирования основных тепловых процессов в рабочей камере обжиговой печи.

Научная новизна. В работе впервые подробно исследованы процессы переноса тепла в печах для обжига углеграфитовых заготовок ОСДЮКЦИАНААЬИМм-ирующим

библиотека I |

з ! о* —

процессом его переноса от зоны генерации (ЗГТ) к зоне технологического процесса (ЗТП - заготовкам) на всех стадиях обжига является теплопередача через слой засыпки. Поэтому в соответствии с классификацией печей теплообменников печи для обжига углеграфитовых заготовок можно отнести к отдельному классу печей, работа которых осуществляется в кондуктивном режиме.

Показано, что при разработке математических моделей тепловых процессов печей с кондуктивным режимом работы можно использовать упрощенные методы математического описания внешней задачи радиационно-конвективного теплообмена между поверхностью контейнера с заготовками и остальными зонами рабочей камеры печи.

Разработана комплексная математическая модель тепловых процессов протекающих в рабочей камере обжиговой печи, основанная на совместном решении внешней и внутренней задачи теплообмена.

Путем проведения вычислительных экспериментов выявлено влияние различных факторов на равномерность и скорость нагрева углеграфитовых заготовок.

Практическая ценность. Практическими результатами данной работы являются:

- разработка рационального режима обжига углеграфитовых заготовок при производстве изделий из конструкционных графитов;

- определение рационального способа размещения углеграфитовых заготовок в коксовой засыпке при проведении их обжига в печи шахтного типа;

- анализ влияния погрешностей регулирования теплового режима обжиговой печи на скорость и равномерность нагрева углеграфитовых заготовок в коксовых засыпках;

- разработка предложений по изменению конструкций обжиговых печей и систем их отопления, позволяющих обеспечить надежную утилизацию выделяющихся в процессе обжига • летучих веществ, при одновременном увеличении возможности печей по реализации необходимых по технологии температурных режимов обжига.

Достоверность представленных в работе результатов и выводов, полученных путем проведения вычислительных экспериментов, подтверждена при проверке адекватности математической модели путем сравнения расчетных данных с результатами прямых измерений температурного поля засыпки в процессе проведения обжига углеграфитовых заготовок ФГУП «НИИграфит». Математическая модель принята специалистами ФГУП «НИИграфит» для разработки технологических карт -инструкций по проведению процесса обжига заготовок на основе углеграфитов, а рекомендации по изменению ее конструкции приняты в качестве основы проекта реконструкции топливной шахтной печи.

Апробация и публикация работы. По материалам диссертации опубликовано 4 статьи. Отдельные положения и результаты данной работы были доложены на 2-ой Международной научно - практической конференции - Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии (РФ. г. Москва, МГИСиС, 2002 г.).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения и списка использованных литературных источников из 48 наименований. Общий объем работы составляет 139 стр., в том числе 60 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Основные цели исследования тепловых процессов при производстве изделий из углеродных материалов

В приведенном в диссертационной работе аналитическом обзоре представлена подробная информация об основных технологических операциях и процессах при производстве изделий на основе искусственных графитов.

В разделе рассмотрены основные физико-химические процессы, протекающие при термической обработке углеграфитовых заготовок и их влияние на структуру и свойства конечных изделий. Показано, что для большей части изделий на основе искусственного графита (например углеграфитовые блоки для атомной энергетики, электроды для металлургической и химической промышленности) термическая обработка включает в себя две последовательно проводимые операции тепловой обработки - обжиг и графитация заготовок - полуфабрикатов. Для остальных изделий проводят только одну операцию обжига.

Обжиг углеграфитовых заготовок проводится для спекания связующего вещества (смолы) с зернами кокса. Суть этой операции заключается в нагреве заготовок с заданной скоростью и равномерностью до температур порядка 900-1200 °С, выдержке заготовок при данной температуре и охлаждение с заданной скоростью.

В процессе обжига смола, связывающая отдельные зерна углеродистого материала заготовок, превращается в кокс, образуя прочную решетку, при этом фиксируется форма заготовок и достигается их необходимая прочность. Термическая обработка (коксование) пеков, используемых в качестве связующих смол углеграфитовых материалов, сопровождается сложными химическими реакциями. Разложение и полимеризация составляющих смолы веществ приводит к образованию соединений углерода и водорода различного типа (легких, тяжелых, предельных и непредельных углеводородов). Процесс коксования сопровождается также частичной возгонкой и дистилляцией способных коксоваться веществ. Данные процессы являются нежелательными, так как уменьшают количество образующегося кокса. Готовые изделия должны обладать однородной структурой без внутренних и внешних дефектов (трещин, пустот, раковин и т.д.). Образование этих дефектов вызвано опасными термическими и усадочными напряжениями, возникающими при проведении обжига.

Обжиг проводится без доступа окислителей (основными являются О2 и СОг), так как взаимодействие с ними углерода приводит к его интенсивному окислению и должно быть полностью предотвращено. Возникновение данного явления крайне нежелательно и потому, что механическая прочность обожженных материалов в основном зависит от количества образующегося из смол кокса, а окисление неизбежно приводит к его уменьшению и вследствие возникновения внешних и внутренних дефектов решетки может быть не обеспечена достаточная однородность и плотность кокса, составляющего основу заготовки.

В процессе проведения обжига формируется кристаллическая основа будущей детали со структурой графита, а процесс графитации по существу реализует заложенные на стадии обжига возможности по формированию необходимой структуры.

Основными технологическими параметрами этой термической обработки являются температура, скорость и равномерность нагрева углеграфитового материала, а предотвращение его окисления обеспечивается путем проведения процесса обжига в углеродистых (коксовых или графитовых) засыпках. На рис. 1 представлен один из теоретических графиков изменения средней по объему заготовки температуры при проведении процесса ее обжига, из которого видно, что обжиг углеграфитовых заготовок можно разделить на несколько периодов: 1- период предварительного нагрева — до 300 °С; 2- период замедленного нагрева - до 600 "С; 3- период ускоренного нагрева - до 1300 °С; 4- период технологической выдержки и 5- период охлаждения.

1400 ,

I

1200 • j 1

^ 1000- 1 i

о. !

£. 800- | 5 j

§■ 600- !

С f

2 1

о 400 • !

200/ I .

0 III 1 1 1 1 ' 1 1 1 1 1 1

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 Длительность обижга, час.

Рис. 1. Теоретический температурный режим обжига крупнозернистых заготовок в туннельной печи.

В работе дан подробный анализ процессов, протекающих в течение этих периодов, который позволил сделать следующие выводы:

- температурный режим обжига зависит от исходного состава шихтовых материалов заготовки и ее габаритов;

- качество обжига существенным образом зависит от качества контроля и управления тепловыми процессами в рабочей камере обжиговой печи;

- в процессе обжига выделяется значительное количество вредных летучих веществ, газов и смолистых веществ, включая фенолформальдегидные смолы (их количество в отводимых газах может достигать

- перенос тепла через засыпку должен оказывать существенное влияние на качество обожженных заготовок, так как интенсивность подвода тепла к поверхности заготовки (плотность теплового потока) определяется градиентом температур в засыпке.

Анализ тепловых процессов в двух основных типах промышленных печей (туннельных печах непрерывного действия и многокамерных печах квазинепрерывного действия), проведенный в данном разделе показал, что:

- разработку рациональных режимов обжига в печах всех типов конструкции и способов генерации тепла к настоящему времени осуществляют ненадежными эмпирическими методами с использованием косвенной информации о температурных полях в засыпке, а управление процессом обжига углеграфитовых заготовок также проводят по косвенным данным;

- в промышленных печах для обжига углеграфитовых заготовок наблюдаются существенные различия в скорости и равномерности нагрева отдельных частей засыпной садки с заготовками, а особенности конструкции печи и способы генерации тепла не оказывают существенного влияния на степень равномерности нагрева заготовок (см. рис.2);

- дожигание летучих веществ в рабочем пространстве печей всех типов используемых в промышленности, практически осуществить не удается.

Анализ особенностей процесса передачи тепла через слой сыпучих материалов к поверхности обжигаемых заготовок показал, что лимитирующим звеном теплопередачи является перенос через засыпку. Во всем диапазоне температур, характерном для проведения обжига углеграфитовых заготовок, тепловое сопротивление засыпки многократно превосходит сопротивление переносу тепла между зоной его генерации и зоной засыпки. Поэтому полностью реализовать, представленный на рис. 1 температурный режим на

практике не представляется возможным, а нагрев заготовок в различных частях садки происходит с разной скоростью и равномерностью (см. рис.2 и 3).

Рис. 2. Изменение температуры в различных частях садки при обжиге заготовок в туннельных печах. 1 - верхняя часть садки; 2 - нижняя часть садки

Время, сутки.

Рис. 3. Изменение температуры при обжиге в многокамерной печи.

1 — температура под сводом в газовой среде; 2 - температура в кассете на глубине 0,5 м;

3 - температура в кассете на глубине 0,6 м.

Применение метода экспериментального исследования для получения данных о влиянии различных технологических параметров на тепловые процессы в обжиговых печах вызовет значительные трудности. Кроме того, этот метод практически не позволяет получить данные о влиянии как конструктивных особенностей печей, так и особенностей генерации тепла в них на скорость и равномерность нагрева заготовок. Поэтому чисто экспериментальные методы не является в данном случае рациональными.

В настоящее время задачи такого рода по оптимизации тепловых режимов нагревательных и термических печей решаются методами математического моделирования,

но в тоже время данные экспериментальных исследований необходимы для выявления достоверности математических моделей и их адаптации.

2. Экспериментальное исследование тепловых процессов в печах для обжига углеграфитовых заготовок.

Для адаптации математической модели и установления ее адекватности в данном разделе работы проведено: обоснование выбора объекта экспериментального исследования, разработана и обоснована методика проведения эксперимента и оценены погрешности измерений физических величин, полученных в процессе его проведения.

Основные результаты проведенного экспериментального исследования тепловых процессов в шахтной печи для обжига ФГУП «НИИграфит» представлены на рис. 4,5,6, 8 и 9. На рис. 7 представлена схема исследуемой обжиговой печи с указанием мест установки контрольных и базовых (поз.б и 7) термопар.

О 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 0 5 10 15 20 25 10 15 40 45 50 55

Время, час Время, час

Рис. 4. Изменение в процессе обжига а - расхода топлива; б - коэффициента расхода воздуха на горелку.

■ч- 20 т

Время, час Время, час

Рис.5 Изменение состава атмосферы рабочего пространства печи в процессе обжига.

25 30

Рис 6 Изменение температуры в контрольных точках засыпки в процессе обжига (цифрами обозначены номера термопар, см. рис.7).

Рис.7. Схема исследуемой печи с указанием мест расположения термопар. 1 - горелка, 2 - контейнер, 3 - засыпка, 4 - заготовки, 5 - решетка подины печи, 6 - штатная термопара, 7 - штатная термопара, 8 - отсасывающая термопара, 9 - шиберная заслонка, 10 - датчик давления. №1 — №9 — места установки экспериментальных термопар в засыпке.

Положение термопары

Рис. 8. Распределение температуры в садке через 10 (а), 35 (б) и 48 (в) часов после начала обжига 0 - ближняя к горелке плоскость; 1 - ось контейнера; 2 - дальняя от горелки плоскость; верхняя кривая - термопары № 7, № 5, № 6; средняя - № 8, № 2, № 4; нижняя - № 9, № 1, № 3 (См. рис.5)

Рис.9. Изменение отношения теплового сопротивления засыпки к внешнему тепловому сопротивлению в процессе обжига углеграфитовых заготовок в исследованной печи.

Рис.10. Изменение температуры в процессе обжига. 1 - показания сводовой термопары (поз. 6); 2- показания боковой термопары (поз.7); 3-Максимальная температура засыпки (термопара № 6, рис. 6); 4- минимальная температура засыпки (термопара № 1).

Проведенный анализ экспериментальных данных по исследованию тепловых процессов в шахтной печи для обжига заготовок из углеграфитовых материалов позволяет сделать следующие выводы:

- температурный график обжига заготовок в шахтной печи периодического действия ФГУП «НИИграфит» по существу не отличается от закономерностей изменения температуры (см. рис. 2,3 и 6), имеющих место в печах непрерывного и квазинепрерывного действия (туннельные печи и многокамерные печи);

- во всем интервале температур обжига лимитирующим звеном процесса переноса тепла от ЗГТ к ЗТП является теплопередача через слой засыпного материала к заготовкам (см. рис.9), следовательно, печь для обжига углеграфитовых заготовок работает в так называемом «кондуктивном» режиме и расположение заготовок. в слое засыпки существенным образом влияет на скорость и равномерность их нагрева;

- расположение контейнера с заготовками в рабочей камере обжиговой печи не является рациональным, так как к его нижней части тепло практически не подводится (см. рис. 7);

- графики изменения температуры измеряемой с помощью базовых термопар при проведении обжига существенно отличаются (на несколько сот градусов) от графиков изменения температуры в областях расположения заготовок в засыпке (см. рис. 10);

- продолжительность технологических периодов обжига заготовок в засыпной садке не совпадает с длительностью периодов, определяемых по температурным графикам базовых термопар.

К аналогичным выводам привел и анализ тепловых процессов в обжиговых печах всех типов.

3. Математическое моделирование тепловых процессов в шахтной печи для обжига заготовок на основе углеграфитовых материалов

Разработанная в рамках данного исследования модель основана на решении систем уравнений, описывающих: а) теплообмен между продуктами сгорания, поверхностью контейнера с заготовками в засыпке и поверхностями футеровки рабочей камеры печи (внешняя задача); б) теплообмен в контейнере, включая области засыпки и заготовок (внутренняя задача), а также в футеровке в футеровке печи.

Целью решения задачи внешнего теплообмена является определение плотностей результирующих тепловых потоков на поверхностях контейнера с заготовками и футеровки рабочей камеры печи при заданных значениях температуры на этих поверхностях.

Анализ процесса передачи тепла от ЗГТ к ЗТП, проведенный на основе полученных экспериментальных данных, подтвердил, что лимитирующим звеном этого процесса является перенос тепла через слой засыпки. Поэтому для решения задачи внешнего теплообмена в системе газ - кладка - поверхность контейнера применили упрощенный зональный метод радиационного теплообмена в поглощающей и излучающей среде.

Расчет радиационного теплообмена проводили при использовании следующих допущений:

- все тела, участвующие в теплообмене (контейнер, футеровка и продукты сгорания) являются серыми;

- температура в объеме продуктов сгорания в пределах области распределена равномерно;

- все радиационные характеристики (температуру, степень черноты, плотность потока результирующего излучения) в пределах указанных поверхностей можно считать постоянными;

- значения коэффициентов конвективной теплоотдачи на поверхностях контейнера и кладки составляют постоянную, не зависящую от температуры долю значений лучистых коэффициентов теплоотдачи (10%).

Для решения поставленной задачи использован упрощенный метод расчета радиационного теплообмена в поглощающей и излучающей среде. Исходная система

поверхностных и объемных зон заменена совокупностью подсистем. Каждая такая подсистема образована объемной зоной и ограничивающими ее реальными и воображаемыми абсолютно черными поверхностями, прилегающими к данной объемной зоне со сторон смежных с ней объемных зон. В рассматриваемой задаче такой поверхностью являются поверхность, разделяющая область подсводового пространства над контейнером (подсистема А) и область между вертикальными поверхностями контейнера и футеровки печи (подсистема В) (см. рис. 7). Температурам этих условных зон приписываются такие эффективные значения, при которых плотности результирующих потоков излучения на границах подсистемы сохраняют свои действительные значения.

Такой метод позволяет без существенного уменьшения погрешностей расчета значительно упростить задачу определения значений обобщенных угловых коэффициентов излучения. Определение эффективных температур в упрощенном методе производится путем расчета радиационного теплообмена в отдельных подсистемах и взаимного согласования результатов таких расчетов методом итераций.

Для расчета радиационно-конвективного теплообмена в указанных областях использовали резольвентный зональный метод. В рамках этого метода система зональных уравнений формируется путем подстановки выражений для потоков результирующего излучения и конвективной теплоотдачи в уравнения теплового баланса каждой из зон, включая источниковое слагаемое - тепловой поток, поступающий, либо покидающий реальную зону за счет причин, не связанных с теплообменом между зонами. В рассматриваемом случае это генерация тепла в пространстве над контейнером, конвективный перенос тепла между объемными зонами и потери тепла через футеровку печи.

Система зональных уравнений для объемной зоны подсистемы А имеет вид:

где, - балансовые коэффициенты, значения которых можно опреде-

лить по следующим выражениям: ^

где, £ЗГ/ и а2- соответственно коэффициенты конвективной теплоотдачи от газа к поверхностям р! и Гг Вт/м2К;

То,, Т\, \\T-i- зональные значения температур, К; 0^1 -низшая рабочая теплота сгорания топлива, Дж/кг; В - расход топлива, кг/с;

В* = Крв- ЛВ расход воздуха, кг/с - стехиометрическое число;

Крв - коэффициент хода воздуха;

Со — удельная теплоемкость продуктов сгорания Дж/кг К;

Индексы относятся к следующим зонам: 0 - объемная зона, 1 - зона (поверхность) контейнера, 2 - зона (поверхность) футеровки.

Система зональных уравнений для зоны 2 подсистемы А вид:

к=0 к=0

(2)

Здесь отличные от нуля балансовые коэффициенты Л^ и определяли по следующим выражениям:

¿22 =~(СС2 +"2>^2'Л02 ~ а2 '^2^2 = У2-Р2

где, М2 И VI - коэффициенты, определяющие связь плотности теплового потока на поверхностях контейнера и футеровки с температурой этой поверхности в конце шага по времени.

Система зональных уравнений для подсистемы В имеет следующий вид:

£акГТ? + ЪкГТк + Н, =0; (3)

А-=0 0

здесь отличные от нуля балансовые коэффициенты А# и И{ имеют следующие значения:

¿00 = +¿2 +й4-Х-РА+С0(В + В*)],

¿20 =02-^2. ¿40 =«4

где СС\, ССгК СС4 - коэффициенты конвективной теплоотдачи от газа к контейнеру, вертикальной кладке печи и подине;

Т„ - зональные значения температур, К;

Мл V/ - коэффициенты, определяющие связь плотности теплового потока на реальных поверхностях подины, контейнера и кладки печи с температурой этих поверхностей в конце шага по времени.

Решение систем зональных уравнений (1), (2) и (3) проводили с помощью метода Ньютона. При решении указанных систем уравнений относительно температуры газа и температуры футеровки остальные зональные температуры (контейнера и условной поверхности раздела областей) имели приближенные фиксированные значения. Уточнение этих значений проводили в процессе решения сопряженной задачи внешнего и внутреннего теплообмена с использованием метода итераций.

Целью задачи внутреннего теплообмена является определение нестационарных температурных полей в контейнере с заготовками, футеровке боковых стен печи, крышке, решетке подины и максимального перепада температур в обжигаемых заготовках при заданных (полученных из решения внешней задачи) условиях теплообмена на их поверхностях.

При постановке задачи внутреннего теплообмена использовали следующие основные допущения:

- при расчете температурного поля засыпки пренебрегали тепловым сопротивлением стенок контейнера с углеграфитовыми заготовками в засыпке;

- при расчете перепада температур в заготовках на границе засыпка - заготовка имеет место идеальный тепловой контакт;

- полагали, что имеет место идеальный контакт между поверхностями контейнера и решетки подины печи,

- учитывали, что в контейнере существует сток тепла в объеме заготовок, возникающий вследствие затрат энергии на протекающие в них эндотермические реакции. Этот сток учитывали путем увеличения удельной теплоемкости материала заготовок на

величину соответствующую тепловому эффекту реакций с учетом влияния температуры на скорость их протекания;

- полагали, что в начальный момент по объему футеровки и объему засыпки с заготовками распределение температуры равномерно, а их значения принимали равными температуре воздуха в цехе.

Все необходимые теплофизические свойства засыпки, заготовок и футеровки и их зависимость от температуры задавали по представленным в литературе данным.

Считали также, что заготовки в засыпке основного контейнера расположены симметрично относительно его оси.

Следует отметить, что в расчетной программе предусмотрены возможности изменения геометрических размеров рабочей камеры печи, основного контейнера, заготовок, способа их расположения относительно оси контейнера, значений теплофизических свойств материалов.

Учитывая, что распределение температуры в контейнере на протяжении обжига практически симметрично относительно оси контейнера (см. рис. 8) расчет нагрева углеграфитовых заготовок в контейнере проводили путем решения двумерной нестационарной задачи теплопроводности. Задача включала в себя: уравнения теплопроводности для областей засыпки, заготовок и футеровки; начальные условия; граничные условия на верхней и боковой поверхностях контейнера; уравнения сопряжения на поверхностях изделий и нижней поверхности контейнера. Граничные условия на указанных поверхностях задавали из решения внешней задачи теплообмена. На внешней поверхности футеровки задавали граничные условия 3-го рода.

Внутренняя задача теплообмена в контейнере с изделиями в засыпке может быть представлена следующей системой дифференциальных уравнений], включающей в себя:

- уравнение теплопроводности в засыпке:

в следующих областях (см. рис. 11):

О <г <й*/, 0 <г <Яо ; А */ <Л**, , г0 <г <Я0; И**, <й <Н*2, О <г <Я0; ¡1 *2 <г <Н**2, го <г <Е0; Н**2 <Л <Н0,, 0 <г <Я0;

- уравнение теплопроводности в изделиях:

дТ д., агл ЛдТ д,,дТ.

в следующих областях: А*/ <2 <Л**, 0 <г <г0; пр1и= 1,2; - уравнения сопряжения: на нижних поверхностях изделий при г = И*!, О <г <г0

дТ

, дТ Л,-= Я.„

' зг.

гг..

,¡=1,2;

(6)

на верхних поверхностях изделий при г = И**,, 0 <г <Го

ат

аг

аг.

Я7

-0 "'-'г-к", »0

на боковых поверхностях изделий приЬ^ <2 <Н**1,г = Го

,¡ = 1,2;

(7)

аг , аг — я,

'га-О

5г.

,¡-1,2;

(8)

на нижнеи поверхности контейнера в случае его установки на решетку подины (поверхность не адиабатна) приг = 0, 0 <г <Я0

Я = 5Г

аг..

' гг..

,1 = 1,2;

(9)

- граничные условия:

на нижней поверхности контейнера (установлен на решетку подины) (поверхность адиабатна) приг = 0,0 <г <Яй

= 0;

32г=0

на верхней поверхности контейнера

(10)

дТ

дг^

■г=Я0

на боковой поверхности контейнера при

, дТ

>4в>

где,

С _ удельная теплоемкость, Дж/кг К; р . плотность, кг/м3;

. коэффициент теплопроводности, Вт/м К; уд - радиус изделия, м; Rj - радиус контейнера, м; Но - высота контейнера, м; Т- температура, К; / - текущее время, с;

zur — текущие координаты соответственно по высоте и радиусу, м;

h - координата поверхности изделия по высоте, м.

Индексы:

i - относится к изделиям и обозначает соответственно 1 - нижнее изделие, 2-верхнее;

* - относится к нижнему изделию, ** - к верхнему;

индексы з ,и, п- обозначают соответственно засыпку, изделие и решетку поди-

Начальные условия для засыпки и изделий:

(13)

(в начальный момент времени температуры в объеме засыпки и изделиях распределены равномерно и равны температуре окружающей среды)

Внутренняя задача теплообмена в футеровке печи может быть представлена системой уравнений, включающей в себя:

для футеровки всех поверхностей рабочей камеры печи (включая подину и крышку) в случае приподнятого контейнера уравнение теплопроводности в футеровке

- граничные условия на внутренних поверхностях:

ны

где, - плотность теплового потока на поверхностях, Вт/м2,

индексы относится к поверхности крышки рабочей камеры, ковой поверхности, к подине печи, а - обозначает значение координаты х на

поверхности.

и граничные условия на внешних поверхностях:

(16)

где, - коэффициент теплоотдачи на внешней поверхности футеровки,

Вт/м2К;

- температура окружающей среды, К.

начальные условия:

(17)

(в начальный момент времени температура в объеме футеровки распределена равномерно и равна температуре окружающей среды)

Систему уравнений внутреннего теплообмена в области контейнера решали методом расщепления с использованием чисто неявной разностной схемы с учетом переноса тепла по каждому из двух координатных направлений.

При решении системы уравнений для футеровки также использовали чисто неявную разностную схему с учетом переноса тепла только в одном координатном направлении (от внутренней поверхности футеровки к внешней).

Вычислительный алгоритм предусматривал расчет температурного поля контейнера в дискретном времени с шагом по времени (рекомендуемым), равным 600 с.

При этом на каждом шаге по времени производилось:

- решение внешней задачи теплообмена (расчет радиационно-конвективного теплообмена в рабочем пространстве печи);

- решение внутренней задачи теплообмена (расчет переноса тепла в контейнере и изделиях);

- решение внутренней задачи теплообмена в футеровке печи;

- решение сопряженной задачи теплообмена (согласование решений внешней и внутренних задач).

, дТ

Фд Ч,.1

Блок - схема решения сопряженной задачи теплообмена в течение одного шага по времени и блок-схема согласования результатов расчета внешнего теплообмена представлена на рис. 12 и 13.

В процедуре ввода исходных данных для проведения вычислений на модели предусмотрено оперативное изменение следующих технологических параметров:

- количество и длительность периодов регулирования теплового режима печи;

- средний расход топлива по периодам регулирования;

-значение среднего за период коэффициента воздуха;

- условия сжигания топлива (недожог в %), задавали по полученным экспериментальным данным;

- основные размеры контейнера с коксовой засыпкой, его высоту и радиус;

- основные размеры и места расположения заготовок в засыпке (высоту и радиус заготовки, расстояние от днища контейнера до нижней заготовки и расстояние между заготовками).

На рис. 14 и 15 представлены результаты расчета изменения температуры в засыпке и заготовках в процессе обжига.

2 4

Но---------------------I-------------

...............1-

Ь*г..............."I-!-

Н«-----------------1-

ь*,..............-I—I—

О ^ г,' '„ 'г0 Яо Г

Рис. 11. Схема к решению внутренней задачи теплообмена в контейнере с изделиями

Рис. 12. Блок - схема решения сопряженной задачи теплообмена

в течение одного шага по времени.

Тав

-► Подсистема А -► Подсистема В

Т*АВ

Рис. 13. Блок-схема согласования результатов расчета теплообмена в подсистемах А и В

Рис.

14. Изменение температуры в коксовой засыпке в процессе обжига. 1 - эксперимент, 2 - расчет по модели. • - контрольная точка измерения температуры.

Время,

Рис. 15. Изменение температуры центра заготовки (а) и максимального перепада температур по ее объему (б); 1 - нижняя заготовка, 2- верхняя заготовка (базовый вариант теплового режима)

Сравнение результатов вычислительного эксперимента с полученными опытными данными (см. рис. 14) показало:

1. Для области расположения заготовок в засыпке:

- расхождение результатов расчета с опытными данными на протяжении периодов нагрева заготовок не превышают 20 - 25 К, относительная ошибка расчета не превышает 5%;

- в течение периода теплотехнической выдержки расхождение результатов достигает 40 - 45 К в центре засыпки (между заготовками), а относительная ошибка расчета не превышает 6%;

- в течение периода теплотехнической выдержки для нижней части засыпки (под нижней заготовкой) результаты практически совпадают;

- в верхней части засыпки (над верхней заготовкой) максимальные расхождения достигают ~80 К, а относительная ошибка расчета с учетом погрешности измерения не превышает 15%. Это наблюдается в начале периода ускоренного нагрева, что не

представляет существенной опасности с технологической точки зрения, так как основные процессы формирования структуры материала заготовки (углеграфита) уже практически завершены. Но в конце периода ускоренного нагрева расчетные и опытные данные практически совпадают.

Данное сравнение позволяет заключить, что разработанная модель вполне адекватно описывает процесс нагрева заготовок при условии их расположении по оси контейнера, при толщине засыпки над верхней заготовкой не менее 300 мм.

2. Для области засыпки, расположенной у боковой поверхности контейнера, максимальное расхождение результатов вычислительного эксперимента с опытными данными (до ~ 80, К) наблюдается на протяжении всего процесса обжига, а относительная ошибка расчетов не превышает 20%. Эти отклонения по вышеуказанным причинам не являются опасными с технологической точки зрения.

Следует отметить, что средняя скорость увеличения температуры в контрольных точках, определенная в результате вычислительного эксперимента для всех периодов регулирования, практически совпадает со значениями, определенными по опытным данным для области расположения заготовок в засыпке, а для остальных контрольных точек отклонения от опытных данных не превышают 3,3 К/час.

На рис. 15 представлены результаты вычислительного эксперимента по определению действительного графика нагрева заготовок в условиях проведенного опыта и равномерности их нагрева в процессе обжига. Они показывают, что применяемый тепловой режим и расположение заготовок в засыпке не являются рациональными (перепады температур по их объему значительно различаются, хотя температуры центров заготовок практически совпадают).

Вполне удовлетворительное совпадение результатов проведенного вычислительного эксперимента и опытных данных позволило использовать разработанную модель для решения технологических задач обжига углеграфитовых заготовок.

4. Применение метода математического моделирования для разработки предложений по совершенствованию системы управления тепловым режимом обжига и модернизации конструкции шахтной печи для обжига углеграфитовых заготовок

Проведенные вычислительные эксперименты показали, что может быть найдено оптимальное расположение заготовок в засыпке, при котором без изменения теплового режима печи, значительно (более, чем в 2 раза) уменьшится перепад температур по объему нижней заготовки. Было показано, что аналогичный результат может быть достигнут и путем изменения теплового режима, но только за счет существенного увеличения (почти в 2 раза) времени обжига и увеличении расхода топлива почти на 50 %.

Был проведен также ряд вычислительных экспериментов по определению влияния условий сжигания топлива на температурный режим исследуемой обжиговой печи, которые показали, что:

- при обеспечении нормальной работы горелочного устройства произойдет существенный перегрев засыпной садки с заготовками (на 250 - 300 К) и увеличение перепада температур ее высоте и сечению;

- уменьшение расхода топлива на величину его недожога, хотя и уменьшает расхождение между расчетными и экспериментальными данными, также приведет к перегреву заготовок на 100 - 150 К и увеличению перепадов температур по их объему;

- в шахтных печах для обжига углеграфитовых заготовок регулирование температурного режима печи без организации искусственного недожога практически осуществить крайне сложно без существенного увеличения времени обжига.

Разработанная математическая модель позволила определить рациональное количество периодов управления, необходимых для реализации процесса обжига заготовок и сократить их количество с 15-ти до 5-ти.

Применение математической модели для оценки погрешностей регулирования температурного режима печей для обжига углеграфитовых заготовок по косвенным данным показало, что при осуществлении первого периода замедленного нагрева даже значительное увеличение (почти в 2 раза) тепловой нагрузки практически не оказывает влияние на скорость и равномерность нагрева заготовок в течение этого периода, а нежелательные последствия устранимы в последующие периоды без изменения суммарного времени обжига и общего расхода топлива. Но аналогичные отклонения при

достижении температуры в садке порядка 700 °С приводят к потере управления температурным режимом печи.

Вычислительные эксперименты на модели с нижней зоной обогрева контейнера показали, что при проведении незначительной модернизации конструкции исследуемой обжиговой печи может быть найден такой тепловой режим нагрева, который обеспечит нагрев заготовок за 55 часов до температуры 850 °С. При организации такого теплового режима обеспечивается:

- идентичные графики нагрева центров заготовок;

- уменьшение максимального перепада температур по объему заготовок с 39 К до 29 К (на 34%);

- существенное (белее, чем в 1,5 раза) снижение общего расхода топлива.

Анализ результатов вычислительных экспериментов показал, что тепло, аккумулированное кладкой печи и засыпкой, значительно затрудняет регулирование температурного режима.

Полученные результаты позволяют утверждать, что печи для обжига углеграфи-товых заготовок имеют следующие основные недостатки:

- ограниченные возможности по обеспечению минимальных перепадов температур по объему заготовок и регулированию скорости их нагрева;

- неполное использование тепла топлива и ограниченные возможности по использованию тепла выделяющихся в процессе обжига летучих веществ;

- значительный расход тепла на нагрев кладки и засыпки.

Устранение вышеперечисленных недостатков требует модернизации системы отопления печей, внесения изменений в их конструкции и совершенствования системы контроля и регулирования температурного режима обжига.

В качестве возможных вариантов решения этих задач можно предложить следующее:

Применение систем импульсного нагрева, аналогом которых является импульсный нагрев стальных слитков перед обжимными станами. В условиях импульсного нагрева заготовок в засыпке ее значительное тепловое сопротивление играет положительную роль, так как способствует уменьшению прямого теплового воздействия на заготовки. По всей видимости, импульсный нагрев позволит уменьшить нежелательное влияние кладки и улучшить возможности регулирование температурного режима в течение всего

процесса обжига. Однако, при такой системе отопления остается нерешенной проблема дожигания летучих веществ.

Оборудование печей отдельными выносными топками. Сжигание топлива в высокотемпературных выносных топках позволит решить проблему дожигания в них выделяющихся летучих веществ. При использовании такой системы отопления регулирование температурного режима должно осуществляться путем подготовки греющей смеси газов равномерно подающейся в рабочую камеру.

• Для обеспечения возможности достаточно быстрого изменения скорости нагрева заготовок необходимо уменьшить количество тепла, аккумулированного кладкой за счет применения волокнистых огнеупорных материалов.

5. Выводы

1. Анализ тепловых процессов в печах непрерывного и периодического действия показал, что:

- лимитирующим звеном процесса переноса тепла от ЗГТ к ЗТП на всех стадиях обжига является теплопередача через засыпку, что и объясняет существенные перепады температур по ее объему;

- картина распределения температуры в объеме засыпки в процессе проведения обжига и две его основные характеристики (скорость и равномерность нагрева заготовок) определяются сложным, взаимосвязанным влиянием процессов генерации тепла, радиационно-конвективного теплообмена между продуктами сгорания, футеровкой и контейнером, а теплообменом в засыпке;

- наиболее эффективным методом разработки рациональных тепловых режимов печей для обжига углеграфитовых заготовок, работа которых осуществляется в кондуктивном режиме, является математическое моделирование;

- при разработке математических моделей тепловых процессов в печах такого типа можно использовать упрощенные модели радиационно-конвективного теплообмена для описания процессов переноса тепла от ЗГТ к поверхности контейнера;

2. Анализ результатов вычислительных экспериментов позволил:

- определить степень влияния особенностей конструкции печи, условий сжигания топлива и способа размещения заготовок в засыпке на основные характеристики обжига;

- показать, что модель, представленная в данной работе, может быть использована в качестве основы для описания тепловых процессов печах непрерывного и квазинепрерывного действия;

- разработать рекомендации по модернизации конструкций обжиговых печей включая рекомендации по выбору рационального типа огнеупорных и теплоизоляционных материалов;

- разработать рекомендации по изменению системы отопления печей, позволяющие практически полностью использовать энергетические возможности топлива и выделяющихся летучих веществ;

3. Внедрение разработанных рекомендаций позволит:

- значительно (более чем на 30%) сократить расход топлива;

- существенно увеличить равномерность нагрева заготовок;

- расширить возможности управления температурным режимом обжига.

Содержание диссертационной работы отражено в следующих публикациях:

1. Сомойлов В.М., Тканова О.В., Шибалов С.Н. Расчет предельно допустимых радиальных градиентов, возникающих при термообработке крупногабаритных заготовок и оптимизация режимов термо обработки искусственных графитов.// М.: МИСиС, Сб. тезисов, 2-ая Международная научно - практическая конференция Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии, 2002.

2. Кривандин ВА, Шульц ЛА, Крупенников СА, Шибалов С.Н., Сомойлов В.М. Исследование тепловой работы топливной печи для обжига изделий на основе углеграфитовых материалов.// М.: МИСиС, Сб. тезисов, 2-ая Международная научно - практическая конференция Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии, 2002.

3. Костиков В.И., Кривандин ВА, Шибалов С.Н. Анализ теплообмена в печах для обжига углеграфитовых заготовок.// Известия ВУЗов. Черная металлургия 2003. №9.

4. Костиков В.И., Крупенников С.А., Шибалов С.Н. Разработка рациональных режимов тепловой работы пламенной печи для обжига углеграфитовых заготовок.// Известия ВУЗов. Черная металлургия. 2003. №11.

Формат 60 х 90 1/16 Бумага офсетная объем. 1,75 п. л. Печать офсетная

Тираж 100 экз. Заказ 394

Отпечатано с готовых оригинал-макетов в типографии Издательства «Учеба» МИСиС, 117419, Москва, ул. Орджоникидзе, 8/9 Тел.: 954-73-94, 954-19-22 ЛР№01151 от 11.07.01

Р- 5332

Глава 1. Состояние вопроса и цели исследования тепловых процессов при производстве изделий на основе углеграфитовых материалов.

1.1. Основные технологические операции производства изделий из углеграфитовых материалов.

1.2. Основные физические и физико-химические процессы при обжиге углеграфитовых материалов.

1.3. Анализ тепловых процессов в промышленных печах для обжига углеграфитовых заготовок.-----------------------------------------------------—

1.3.1. Анализ тепловых процессов в туннельных обжиговых печах и их конструкции.

1.3.2. Анализ тепловых процессов в многокамерных обжиговых печах и их конструкции.—

1.3.3. Анализ тепловых процессов в обжиговых печах периодического действия и их конструкции.

1.4. Особенности теплопередачи через слой сыпучих материалов к поверхности подвергаемых обжигу заготовок из углеграфитовых материалов.

1.5. Выбор метода исследования тепловых процессов, протекающих при обжиге углеграфитовых заготовок.

Глава 2. Экспериментальное исследование тепловых процессов в печах для обжига заготовок из углеграфитовых материалов.

2.1. Выбор объекта экспериментального исследования тепловых процессов в печах для обжига углеграфитовых заготовок.

2.2. Описание конструкции выбранной для экспериментального исследования обжиговой печи.

2.3. Цель экспериментального исследования.

2.4. Методика проведения эксперимента.

2.5. Результаты экспериментального исследования тепловых процессов в шахтной печи для обжига углеграфитовых заготовок.

2.6. Анализ результатов экспериментального исследования тепловых процессов в шахтной печи для обжига углеграфитовых заготовок.

2.7 Оценка погрешностей измерений физических величин, полученных в процессе проведения эксперимента.

2.8. Выводы по главе 2.

Глава 3. Математическое моделирование тепловых процессов в шахтной печи для обжига заготовок на основе углеграфитовых материалов.

3.1. Цели создания математической модели тепловых процессов в обжиговой печи и общие принципы ее построения.

3.1.1 Постановка и алгоритм решения задачи внешнего теплообмена в процессе нагрева заготовок в контейнере.

3.1.2 Постановка и алгоритм решения задачи внутреннего теплообмена в процессе нагрева заготовок в контейнере.

3.2. Результаты вычислительных экспериментов и проверка их достоверности.

3.3 Выводы по главе 3.

Глава 4. Применение метода математического моделирования для разработки предложений по совершенствованию системы управления тепловым режимом и модернизации конструкции шахтной печи для обжига углеграфитовых

4.1. Применение математического моделирования для разработки предложений по совершенствованию тепловых режимов обжига заготовок.

4.1.1. Использование математической модели для анализа влияния условий сжигания топлива на температурный режим работы обжиговой шахтной печи.

4.1.2. Применение математической модели для разработки рекомендаций по управлению тепловыми режимами печей для обжига углеграфитовых заготовок.

4.1.3. Применение математической модели для оценки погрешностей регулирования температурного режима печей для обжига углеграфитовых заготовок по косвенным данным.

4.2. Применение математического моделирования для разработки предложений по модернизации шахтной печи для обжига углеграфитовых заготовок.

4.3. Использование результатов вычислительных экспериментов для решения технологических задач обжига углеграфитовых заготовок.

Материалы и изделия на основе углеграфитов находят все более широкое применение в промышленном производстве многих технически развитых стран. За последние годы значительно расширился их ассортимент и области применения. В настоящее время изделия из углеграфитовых материалов нашли применение в таких отраслях промышленности как металлургия, химия и нефтехимия, энергетика, машиностроение. Без таких материалов невозможно дальнейшее развитие атомной энергетики, электротехнической промышленности, самолето и ракетостроения.

Все виды применяемых в промышленности углеграфитовых материалов принято разделять на семь классов: 1) электродные изделия; 2) огнеупорные изделия; 3) химически стойкие изделия: 4) электроугольные изделия: 5) антифрикционные изделия 6) графити-рованные блоки и детали для атомной энергетики; 7) электродные массы [1].

Такое широкое применение материалов данного типа объясняется сочетанием достаточно уникальных физических (часто взаимоисключающих друг друга) и эксплуатационных свойств, присущих одному материалу - графиту. Структура графита такова, что материалы на его основе обладает анизотропией физических, теплофизических и механических свойств. В зависимости от способов обработки исходного материала и технологических приемов производства могут быть получены изделия с заранее заданными (в зависимости от назначения) свойствами.

Большинство графитовых материалов, встречающихся в природе, хотя и обладают необходимыми физическими свойствами, не отвечают требованиям потребителей (например, по размерам отдельных блоков, включениям инородных тел и т.д.) и поэтому не могут быть непосредственно использованы для изготовления большинства применяемых в промышленности изделий. В настоящее время практически все виды продукции, изготавливаемые из материалов на основе углеграфитов, представляют собой искусственные графиты [1,2].

Такие материалы обладают либо высокой, либо низкой электропроводностью и теплопроводностью, высокой химической и коррозионной стойкостью, высокой огнеупорностью, низким коэффициентом теплового расширения и стойкостью к резким сменам температуры, причем в очень широком диапазоне температур. Это позволяет применять данные материалы в нагревательных устройствах и в холодильных агрегатах. Они обладают высокой адсорбционной способностью, значительной прочностью и уникальными антифрикционными свойствами. С помощью механической обработки им может быть придана практически любая форма. Без материалов такого типа невозможно было бы развитие некоторых отраслей промышленности, таких, например, как атомная энергетика.

Основные технологические мероприятия по производству изделий на основе угле-графитов были разработаны и осуществлены в промышленных масштабах в восьмидесятых годах девятнадцатого столетия. Несмотря на то, что со времени их разработки прошло более ста лет, технологические приемы и их последовательность остались практически без изменения, хотя они и осуществляются на более современном оборудовании с применением более совершенной контрольно-измерительной и регулирующей аппаратуры [3]. Производство углеграфитовых изделий представляет собой длительный, многостадийный процесс, требующий существенных затрат энергии.

В настоящее время совершенствование существующих изделий и внедрение в производство новых материалов сдерживается как соображениями экономического порядка, так и техническими возможностями используемых в промышленности агрегатов. Поэтому совершенствование методов и способов изготовления углеграфитовых изделий является актуальной проблемой, имеющей большое практическое значение.

Следует также отметить, что производство углеграфитов связано с образованием значительного количества летучих веществ различного типа, выделяющихся в процессе тепловой обработки изделий. Эти продукты пиролиза являются не только опасными с экологической точки зрения, но и обладают значительными энергетическими возможностями. Поэтому разработка методов их утилизации также должна является одним из важнейших направлений совершенствования применяемых в производстве теплотехнических агрегатов.

С учетом вышеизложенного основной целью настоящей работы является развитие подхода к анализу тепловых процессов при производстве углеграфитовых изделий. Результаты такого анализа должны создать основы для совершенствования конструкций и тепловых режимов печей, применяемых в технологическом цикле получения изделий на основе углеграфитов с требуемыми свойствами.

выводы:

- в соответствии с классификацией печей теплообменников по лимитирующему звену процесса переноса тепла от ЗГТ к ЗТП печи для обжига углеграфитовых заготовок можно выделить в отдельную группу, а тепловой режим их работы может быть назван кондуктивным (или режимом теплопроводности);

- используемые в промышленности печи для обжига углеграфитовых заготовок имеют ограниченные возможности по обеспечению максимально допустимых перепадов температур по объему заготовок;

- в соответствии с положениями общей теорией тепловой работы печей выводы и рекомендации по модернизации конструкции печи и системы сжигания топлива, рекомендации по осуществлению температурных режимов обжига и способы их регулирования, разработанные для одной печи (в данной работе для топливной шахтной печи периодического действия) вполне справедливы для печей непрерывного действия (туннельных печей) и квазинепрерывного действия (камерных печей);

- при разработке математических моделей тепловых процессов в печах с кондуктивным режимом работы для описания процессов переноса тепла от ЗГТ к поверхности контейнера можно использовать упрощенные модели радиационно-конвективного теплообмена, модель представленная в данной работе может быть использована в качестве основы для описания тепловых процессов печах непрерывного и квазинепрерывного действия.

Математическая модель принята специалистами ФГУП «НИИграфит» для разработки технологических карт — инструкций по проведению процесса обжига заготовок на основе углеграфитов, а рекомендации по изменению ее конструкции приняты в качестве основы проекта по реконструкции топливной шахтной печи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Производство изделий на основе искусственных графитов представляет собой многостадийный процесс, в котором термическая обработка углеграфитовых заготовок занимает одно из наиболее важных мест. Термическая обработка включает в себя две последовательно проводимые операции - обжиг заготовок и их графитацию. Качество готовой продукции из искусственных графитов в значительной степени определяется условиями проведения процесса обжига, так как именно на этой стадии формируется основа кристаллической структуры заготовок. Структура и свойства углеграфитовых заготовок зависят от двух основных технологических факторов - скорости и равномерности их нагрева. Одной из особенностей осуществления процесса обжига углеграфитовых материалов является его проведение в специальных засыпках.

Анализ данных о тепловых процессах в промышленных печах для обжига углеграфитовых заготовок и полученные в работе экспериментальные данные показали, что равномерность и скорость нагрева заготовок в засыпных садках с заготовками определяются значениями теплового сопротивления засыпного слоя и внешнего теплового сопротивления. Расчет изменения отношения теплового сопротивления засыпного слоя и внешнего по отношению к засыпке теплового сопротивления показал, что на протяжении всего процесса обжига лимитирующим звеном теплопередачи от зоны генерации тепла (ЗГТ) к зоне (заготовкам) технологического процесса (ЗТП) является перенос тепла через засыпку.

Для исследования влияния различных технологических и конструктивных факторов на тепловые процессы в обжиговых печах использовали метод математического моделирования.

С целью получения данных для адаптации математической модели и проверке достоверности результатов вычислительных экспериментов в рамках данной работы было проведено обоснование выбора объекта экспериментального исследования и изучен процесс обжига углеграфитовых заготовок в шахтной топливной печи ФГУП «НИИграфит».

Математическая модель, представленная в настоящей работе, основана на решении задачи сопряженного теплообмена в рабочем пространстве шахтной печи для обжига углеграфитовых заготовок. Модель основана на решении уравнений радиационно - конвективного теплообмена в системе газ - футеровка - контейнер и уравнений теплопроводности для областей засыпки и заготовок в контейнере и кладки рабочей камеры печи. Она учитывает изменение теплофизических свойств материала заготовок, материала засыпки, материала футеровки в процессе нагрева, а также затраты тепла на эндотермические реакции, протекающие при обжиге.

Проведенные вычислительные эксперименты показали, что:

- применяемая на исследованной обжиговой печи система отопления не позволяет осуществить необходимый по технологии температурный режим обжига углеграфитовых заготовок без организации искусственного недожога топлива, а генерация тепла без недожога приведет к существенному увеличению времени процесса обжига и увеличению расхода топлива;

- рациональный режим тепловой работы обжиговых печей обусловлен способом размещения заготовок в засыпке;

- тепло, аккумулированное футеровкой рабочей камерой печи, может играть как положительную, так и отрицательную роль (способствовать исправлению ошибок ручного регулирования в течение начальных периодов обжига или препятствовать их исправлению в течение периодов ускоренного нагрева и выдержки).

Путем математического моделирования тепловых процессов в рабочей камере печи был решен ряд технологических задач обжига:

- определено оптимальное расположение заготовок в контейнере с засыпкой и разработан рациональный тепловой режим проведения их обжига;

- разработаны рекомендации по управлению тепловыми режимами обжига;

- проведена оценка погрешностей регулирования температурного режима обжига по косвенным данным;

- определены возможности исследованной печи по обеспечению минимальных перепадов температур по объему заготовок и разработаны рекомендации по модернизации конструкции печи и системы сжигания топлива.

Анализ полученных в работе результатов позволяет сделать следующие основные

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

2. Веселовский B.C. Углеродные и графитовые конструкционные материалы. М.: -Наука, 1966, с. 243.

3. Чалых Е.Ф. Технология и оборудование электродных и электроугольных предприятий. - М.: Металлургия, 1972,- с. 432.

4. Свойства конструкционных материалов на основе углерода. Справочник./Под ред. Со-седова В.П. — М.: Металлургия, 1975, с. 335.

5. Чернявец А.Н. Технология изготовления крупногабаритных графитов и методы контроля их качества. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. - М.: 1998, с. 293.

6. Чалых Е.Ф. — Производство электродов. М.: Металлургия, 1954, с. 328.

7. Чалых Е.Ф. Технология углеграфитовых материалов. - М.: Металлургия, 1963, - с. 358.

8. Виргильев Ю.С. О хрупком разрушении графита. //В сб.: Конструкционные материалы на основе графита. - М.: Металлургия. - 1972, № 7, с. 52 - 58.

9. Лутков А.И., Тканова О.В., Большаков Ю.Л. Определение термонапряжений и оптимизация обжига углеродных заготовок. - М.: Цветные металлы, 1990, № 9, с. 62 - 65.

10. Кривандин В.А., Арутюнов В.А. и др. Металлургическая теплотехника, т.1 - М.: Металлургия, 1986, с. 424.

11. Шульц J1.A. Повышение эффективности использования природного газа в методических печах. // Изв. Вузов, Черная Металлургия, № 7,2002, с. 64 - 69.

12. Авдеева А.А. Контроль сжигания газообразного топлива. - М.: Энергия, 1971, с. 256.

13. Кривандин В.А.- Светящееся пламя природного газа. М.: Металлургия, 1973, с. 136.

14. Глинков М.А., Глинков Г.М. Общая теория тепловой работы печей. - М.: Металлургия, 1990, с. 231.

15. Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов. - М.: Энергия, 1974, с. 264.

16. Лиляков А.С. — Расчет коэффициента теплопроводности сухого, сыпучего, зернистого материала. — Сб. Известия Томского политехнического института., т. 110, 1962, с. 34 -42.

17. Васильев J1.J1., Фрайман Ю.Е. Теплофизические свойства плохих проводников тепла. - Минск.: Наука и техника, 1967, с. 176.

18. Прасолов Р.С. К расчету теплового сопротивления зоны контакта твердых тел. - М.: Атомная энергия, т. 24,1968, вып. 1, с. 86-87.

19. Рид Р., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей, - J1.: Химия, 1971, с. 702.

20. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. - М.: Наука, 1964, с. 588.

21. Чудновский А.Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов. - М.:, Физматгиз, 1962, с. 171.

22. Каганер М.Г. Тепловая изоляция в технике низких температур. - М.: Машиностроение, 1966, с. 275.

23. Luikov A.V., Wassiljev L.L., Freiman J.E., Shashcov A.G. Thermal conductivity of porous sistems. - Int. journal of heat and mass transfer. - vol. 11, 1968. pp. 117 - 140.

24. Мень A.A., Сергеев O.A. Лучисто - кондукгивный теплообмен в среде с селективными оптическими свойствами. - ТВТ, т.9, 1971, вып. 2, с. 353 -355.

25. Михайлов В.Н. Исследование теплопроводности и электропроводности дисперсных углеродных материалов при высоких температурах. - Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. - М.: ОНТИ НИИграфит, 1980, 21 с.

26. Никитин B.C., Забродский С.С., Антонишин Н.В. О теплообмене излучением в засыпках дисперсного материала. - М.: Инженерно - физический журнал, т. 15, № 4, 1969, с. 726-730.

27. Никитин B.C., Антонишин Н.В. О переносе тепла в засыпках дисперсного материала. - М.: Инженерно - физический журнал, т. 17, №2, 1969, с. 248 - 253.

28. Абагабов С.Г. Влияние шероховатости поверхности твердого тела на его радиационные свойства и методы их экспериментального определения. М.: Теплофизика высоких температур, 1971, т. 9, № 3, с. 522 - 530.

29. Никитин B.C., Забродский С.С., Антонишин Н.В. О теплопроводности засыпок дисперсного материала в различных газовых средах при повышенных температурах. -Минск.: Известия АН БССР, Серия физико - энергетическая, № 2, 1968, с. 51-53.

30. Абзалов Ю.М., Невский А.С. Экспериментальное исследование по определению эффективных коэффициентов теплопроводности слоя шихты. - М.: Инженерно - физический журнал, 1970, т. 19, « 1, с. 42-46.

31. Невский А.С., Абзалов Ю.М. Перенос энергии излучением в кусковом слое. - М.: Инженерно - физический журнал, 1971, т. 20, № 5, с. 796 - 801.

32. Филимонов Ю.П., Громова Н.С. Топливо и печи. - М.: Металлургия, 1987, с. 320.

33. Бухмиров В.В. Разработка и использование математических моделей для решения актуальных теплотехнических задач металлургического производства. - Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технический наук.- М.: 1998, с. 29.

34. Кривандин В.А., Марков Б.А., Металлургические печи. - М.: Металлургия, 1977, с. 464.

35. Блинов О.М., Беленький A.M., Бердышев В.Ф. Теплотехнические измерения и приборы. - М.: Металлургия, 1993, с. 289.

36. Расчет нагревательных и термических печей. Справочник / Под ред.Тымчака В.М. , Гусовского B.J1. М.: Металлургия, 1983, с. 481.

37. Маковский В.А. Лавреитик И.И. Алгоритм управления нагревательными печами. -М.: Металлургия, 1977, с. 185.

38. Бухмиров В.В., Крупенников С.А. Упрощенный зональный метод расчета радиационного теплообмена в поглощающей и излучающей среде // Изв. вузов. Черная металлургия. 1999, №1, С. 68-70.

39. Бухмиров В.В., Крупенников С.А. Оценка погрешности упрощенного метода расчета радиационного теплообмена// Изв. вузов. Черная металлургия. 1999, №4, С. 75-76.

40. Крупенников С.А. Решение сопряженной задачи теплообмена в нагревательной печи // Изв. вузов. Черная металлургия. 1991, №9, с. 91-93.

41. Блох А.Г., Журавлев Ю.А., Рыжков JI.H. Теплообмен излучением. Справочник - М.: Энергоатомиздат, 1991,с.432.

42. Арутюнов В.А., Бухмиров В.В., Крупенников С.А. Математическое моделирование тепловой работы промышленных печей. М.: Металлургия, 1990, с. 239.

43. Физические величины. Справочник / Под ред. И.С. Григорьева. М.: Энергоатомиздат, 1991.- 1232 с.

44. Самарский А.А. Теория разностных систем. - М.: Наука, 1989, с. 616.

45. Годунов С.К., Рябенький B.C. Разностные системы. - М.: Наука 1977, с. 439.

46. Глинков М.А., Коганов В.Ю., Энекеш Ш. и др. Импульсное отопление нагревательных колодцев // Сталь. 1973, № 2, с. 171 - 173.