автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Высокомощные топливокислородные горелки для нагрева лома в современных дуговых сталеплавильных печах

Р Г 0 государственный технический университет

/ <■) И !11 .»<»!"> »Э

"На правах рукописи

Магидсон Игорь Маркович

ВЫСОМОЩНЫЕ Т01ШВ0КИСЛ0Р0ДНЫЕ ГОРЕЛКИ ДЛЯ НАТРЕМ ЛОМА В СОВРЕМЕННЫХ ДУГОВЫХ СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧАХ

Специальность 05.16.С:; - Члеталгургка черннх металлов"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск, 1933

Работа выполнена в Челябинском научно-исследовательском институте металлургии.

Научный руководитель - доктор технических наук, '' <

профессор Тулуевский Ю.Н.

Официальные оппоненты: ' •

- доктор технических наук, профессор худим Ю.А.

- кандидат технических наук Панченко Л.Г.

Ведущее предприятие - Орско-Халиловскпй металлургический

комбинат (г.НовОтроицк, Оренбургской обл.).

Защита состоится " 19" мая 1993 г." в 14 час. в ауд. 314 главного учебного корпуса на•заседании специализированного Совета Д 053.13.04 Челябинского государственного технического университета по адресу: .454080, г.Челябинск, пр-т им.Ленина,76.

С диссертацией моано ознакомиться в.библиотеке ЧГТУ.

Автореферат разослан " /-/ " 19ЭЗ г.

Ученый секретарь .

специализированного совета /

Д 053.13.04, доктор фязико- . „и /

штематических наук,профессор и^Д.А.Мярзаев

Г 1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Для современного этапа развития черной металлургии характерно быстрое увеличение объемов выплавки электростали, совершенствование технологии я оборудования электроста-лешгавильного производства- Всё большее значение приобретает энергетическая экономичность электрошгавки. Для сокращения расхода и повышения производительности современные дуговые сталеплавильные печи (ДСП) оборудуют тошшвокислородныыи горелками (ТКГ) и устройствами для предварительного нагрева лома отходящими газами. Однако вопросы повышения эффективности ТКГ, применяемых на ДСП, до настоящего времени остаются малоисследованными и во многом дискуссионными. Этим, весьма актуальным вопросам, и посвящена настоящая диссертационная работа. .

Работа выполнена в соответствии с координационным планом Научно-исследовательского института металлургии (НИШ) по электросталеплавильному производству И 5.6-4.3-85.

Цель работа.' Разработка высокомощных .ТКГ дан современных ДСП.

Научная новизна.Впервые методами физического моделирования нагрова шихты в условиях ДСП газокислородным факелом исследованы зависимости коэффициента полезного теплоиспользования, объема зоны активного нагрева, поверхности нагрева пихты, находящейся в этой зоно, и соответствующего усредненного коэффициента теплоотдачи от объемной плотности шихты. Исследовано также влияние на эти характеристики уровня тепловых потерь через ограждения рабочего , пространства. _ ••

Предложена и обоснована методика прогнозирования основных тепловых, аэродинамических и акустических .характеристик промышленных газокислородных горелок по результатам лабораторных испытаний их моделей.

Практическое значение работы. С использованием методики прогнозирования основных характеристик промышленных горелок разработана серия оригинальных многосопловых ТКГ внешнего смешения тепловой мощностью до • 20 МВт. Применение новой горелки на ДСП-ЮТ ЭСПЦ-2 Челябинского меткоыбината (ЧШО позволило сократить расход электроэнергии на расплавление шихты на 9,2 %, а длительность периода плавления - на 13,8 % при удельных расходах природного газа 7,1 м3/т и кислорода - 14,2 м3/т. *

Новые горелки нами применение.в рабочих проектах высокомощных ЮО-т ДСП нового поколения, разработанных в Челябинском КПП совместно с Челябгипромезом и предназначенных, в частности, для ■

проведения реконструкции электросталеплавильных цехов (ЭСПЦ) Ч1ДК, Узбекского метзавода (УМЗ) и' Орско-Халиловского моткомб^ната • (ОШК). ' ■ .

На ДСП конструкции НИШ реализован новый тип установки горелок с размещением их в дополнительных эркерах, выполненных в подине и откосах печи. Установки горелок эркерного типа обеспечивают ввод факелов под слой шихты на уровне подины с равномерным распределением потоков газов по сечению рабочего пространства печи, что повышает эффективность использования топлива.

Основные положения, выносимые на защиту.

I- Результаты физического моделирования нагрева лома топли-вокислородным факелом применительно к условиям ДСП.

2. Методика прогнозирования основных тепловых, аэродииами-ческих и акустических характеристик промышленных ТКГ по результатам испытаний их лабораторных моделей. ,

3. Высокомощные (до 20 МВт) многосопловые газокислородные горелки оригинальной конструкции для современных ДСП.

4. Ноша типы установок газокислородных горелок, обеспечивающие повышение эффективности использования топлива.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

I. Использование дополнительных источников•энергии (состояние вопроса) •

Одной из основных тенденций развития электросталеплавильного производства является увеличение производительности дуговых сталеплавильных печей (ДСП) путем сокращения длительности плавки при одновременном сниаении энергозатрат. На современных ДСП это достигается за счет повышения' удельной мощности трансформатора до 850-1000 кВ-А/т и замены футеровка стен и свода водоох-лаасцаемыми панелями. Совершенствуются зперготехнологические ре-ясямы.плавки, сокращаются длительности всех бестоковых операций (заправки, завалки,.наращивания.электродов и др.), интенсифицируется продувка ванны кислородом, улучшается подготовка лома. ■

Широкое распространение получили внепечные способы обработки стали, что сводит к шшшуму длительность технологических операций, проводимых з ДСП, и превращает ДСП в агрогат для расплавления шихты и получения полупродукта. В настоящее врегля на

ряде высокомощных ДСП, работающих на металлолома, при общей длительности Цикла плавки 60-60 мин, расхода электроэнергии я электродов составляют соответственно 400-450 кВт«ч/т и 3,0- . 3,5 кг/т, а на печах постоянного тока 1,2-1,5 кг/т. В отдельных случаях достигаются и более высокие показатели.

Дальнейшее сокращение расхода электроэнергии, электродов и общих энергетических затрат монет быть получено при использовании для нагрева металлошихтн помимо электроэнергии дополнительных источников тепла, к которым можно отности различные виды газообразного, ходкого и твердого топлива,_ а такие технологические газы, выделяющиеся из ванны и покидающие рабочее пространство печи. Как известно, потерн тепла с уходящими газами на современных высокомощных ДСП составляют 16-18 % от общих энергетических затрат. Использование этого тепла для предварительного подогрева лома является наиболее эффективным способом утилизации вторичных экергорееурсоз в ДСП, который находят все большее применение.

Способ дополнительного нагрева металлощихты в самой ДСП с помощью тошшвокислородпых горелок является самим распространенным и одним из наиболее перспективных. Обладая весьма пзрокякш возможностями сокращения длительности плавки, расходов электроэнергии, электродов-и общих энергетически;: затрат, этот способ не требует установки в элегстро сталеплавильных цехах дополнительного слоеного и дорогостоящего оборудования, не предъявляет дополнительных требований к подготовке маталлсшихты и вместе с тем, при минимальных капитальных вложениях, дает' возможность получить наибольший экономический эффект.

Целесообразность замены определенной доли электроэнергии более дешевой энергией топлива определяется ценой и дефицитностью различных энергоносителей, а таюаэ достяяямой на практике степенью полезного их использования. Энергетическую целессоб- . разность комбинированного применения электроэнергии и топлива' при производство электростали определяет сквозной коэффициент полезного использования первичной энергии топлива (природного газа) по двум различным схемамГ при сяигаапи топлива непосредственно в ДСП и по схеме 'ГЭС-ДСП, когда все топливо скитается на тепловых • электростанциях (ТЭС) для получения олектроэнер- .. ил. подаваемой .к ЭСЩ и ДСП. Такое сопоставление правомерно, поскольку ТЭС, работающие на природном газа или мазуте, производят в нашей стране примерно 40 % всей электроэнергии и при-

манение природного газа в этих целях постоянно расширяется.

Сквозной'коэффициент полезного использования первичного топлива по схеме ТХ-ДСП определяется выражением

где - КПД ТЭС, _ КОД линий электропередач с учетом

потерь при трансформациях энергии; ^з - электрический КПД ДСП, у - термический КПД электрических дуг. Принимая

= 0,38, £яг<>. = 0,92, = 0,92 и =0,78,

получим (¿'^ = 0,25. Таким образом, при использовании природного газа на ТЭС ыеталлопшхте, расплавляемой электрическими дугами в ДСП, передается, в конечном счете, только четвертая часть (25 %) его химической энергии.

При прямом нагреве металлолома горелками КПД значительно выше. КПД горелок при предварительном подогреве лот . ¡¿г достигает значений 0,7-0,75. При использовании ТКГ, устанавливаемых на. ДСП, необходимо учитывать дополнительные затраты электроэнергии и первичного топлива на получение.кислорода на кислородно-компрессорных станциях (ККС). На современных ККС удельный расход электроэнергии составляет 0,6-0,65 кВт-ч на I м3 кислорода, что при. =0,38 соответствует удельному

расходу первичного топлива, равному 0,17-0,18 м3 природного таза. С учетом этих дополнительных затрат КПД ТКГ на ДСП достигает 0,40-0,45 и более высоких 'значений.

За рубеком обычно устанавливают по три горелки в стенах-или своде печей, так, чтобы с их помощью ускорить плавление вихты в-холодных«зонах мезду электродами. Иногда число горе-1 лок увеличивают до шести. На.печах небольшой емкости устанавливают одну горелку в рабочем окне; такие горелки широко используются.и в отечественной практике. Суммарная мощность 'ТКГ на 100-120-т ДСП составляет обычно 8-12 .МВт'и не превышает 15-20 МВт. Дальнейшее увеличение мощности ТКГ сопровождается ухудшением использования топлива. Современной практикой является уменьшение длительности электроплавки за счет применения ТКГ на 10-15 снижение расхода электроэнергии на 813 % и электродов на 4-6

При современных темпах электроплавки дальнейшее резкое сокращение расходов электроэнергии, электродов и общих энергетических затрат за счет использования топлива в самой печи

•требует повышения мощности топливокислородных горелок до уровня, относительно близкого к мощности электрических дуг в период плавления шихты. При этом термический КПД горелок не должен снижаться. Решение этой задачи представляет значительные трудности. Основными факторами, определяющими интенсивность теплопередачи от факела к шихте, язляются температура факела, коэффициент теплоотдачи от факела к кускам лома и общая поверхность этих кусков, омываемых продуктами горения.

Одной из наиболее сложных конструктивных проблем является разработка способов ввода в рабочее пространство печи горелок, обеспечивающих оптимальные условия нагрева слоя шихты газокислородными факелами, а также необходимую эксплуатационную надежность горелочных устройств. При нагреве слоя шихты оптимальные условия теплопередачи обеспечиваются при равномерном по сечению прохождении газов через весь слой снизу вворх или сверху вниз, как это реализуется в установках для нагрева лома в бадьях.

2. Исследование и разработка топливокислородцых горелок.

Разработка высокоэффективных мощных ТКГ для современных ДСП является весьма сложной технической задачей. Практика показывает, что разработка новых конструкций ТКГ идет чисто эмпирическим путем. Конструктивные изменения вносят непосредственно в промышленные образцы горелок. Эффективность этих изменений оценивают по результатам эксплуатации новых горелок на печах. При таком подходе трудно предугадать, каким образом скажется то или иное изменение на эффективности работы горелки, в частности,' на ее аэродинамических, энергетических и акустических характеристиках. Возможности .аналитических методов в рассматриваемой области весьма ограничены. В результате процесс- совершенствования горелок удлиняется и требует больших затрат. Созданию эффективных ТКГ значительно способствовало бы проведение предварительных исследований разрабатываемых промышленных образцов на специальных огневых стендах. Однако такие стенды от-гутствуют, а их создание и эксплуатация требуют значительных капиталовложений.

В такой ситуации васьг,а желательно предварительное нзучо-ше характеристик факелов разрабатываемых горелок на их небольших моделях в лабораторных условиях. При работе с такими горел-саг.га, не требующими сооружения-полупромышленных установок, обо-

рудоБанных достаточно мощными газо-и кислородопроводами и .соответствующими системами газоуддлония, открываются весьт широкие возможности для проведения исследований. Однако возникает проблема правомерности переноса результатов лабораторных исследований на промышленные образцы. ■

В работе установлено, что при соблюдении определенных условий результаты, полученные в лабораторных масштабах, могут эффективно использоваться при создании промышленных образцов ТКГ. К этим условиям относятся: геометрическое подобие горелок; использование одинаковых с образцом топлива и окислителя, что обес почивает близость температурных условий горения; примерное равенство абсолютных значений скоростей истечения струй топлива и окислителя из сопел горелок, обусловливающих приближенное подобие аэродинамических характеристик факелов при достаточно бол ешх числах для модели, находящихся в автомодельной облаем

Предложена следуюдая методика разработок новых горелок. На первом этапе в лабораторных условиях путем изучения большого числа вариантов горелок отсеиваются неудачные и тем самым резко сокращается число конструктивных решений, требующих дальнейшей проверки на горелках, выполненных в натуральную величину. На bti ром этапе наиболее перспективные горела: изготавливаются в макетном исполнений. Такие горелки не рассчитаны на длительную оковдуатацию и поэтому имеют весьма упрощенную конструкцию, допускающую лишь кратковременные промышленные испытания. После проведения этих испытаний выявляются конструктивные варианты, показавшие на первых этапах наилучше результаты. Эти варианты (или вариант) горелки изготавливаются в промышленном исполнении и проходят длительные 'испытания на ДСП в различных условиях эксплуатации.

Лабораторные исследования проводили на моделях. ТКГ, выполненных в геометрических масштабах от 1:10 до 1:20 на огневом стенде при вертикальном направлении факелов снизу вверх. Тепловая -мощность лабораторных горелок составляла от 2,5 -10"^ до 3,0 *10~2 МВт, что .на два-три порядса меньше мощности промышленных TKF-. Скорости истечения из сопел.природного газа изменялись на моделях -от 80 до 130 м/с, кислорода - от 160 до 300 м/с и были близкими к скоростям, характерным для промышленных образцов. Этим скоростям соответствуют числа Re = 30 -I03-40 -ТО3, лежащие в автомодельной области. Таким образом были

обладены все изложенные выше условия моделирования. Для опреде-зния геометрических параметров лабораторных и промышленных факе-зв их фотографировали. Уровни шума горэлок измеряли импульсным тмомером типа ТИШ-00017. Дня определения сравнительное тепловой 5фектнвности лабораторных горелок о помощью миниатюрного калоря-зтрического тепломера измеряли средние тепловые потоки в несколь-их поперечных сечениях факела по его длине. В экспериментах соб-ещали стехиометрическоэ соотношение расходов природного газа и яслорода. Бшхо исследовано более 15 вариантов двухсопловых и мно-зсопловых горелок. Щумовые характеристики и уроЕНП тепловых пото-зв некоторых из них представлены на рис.1 и 2.

Первые исследования с целью апробации предложенной методики ровели на моделях двухсопловой сводовой и шогосопловой оконной эрелок о известными по результатам их промышленной эксплуатации зрактаристиками. Характерное для промышленной двухсопловой ТКГ не-зтойчивое горение факела имело место я на её модели. Для подцер-5ния горения дало при.небольших расходах газов приходилось ис-эльзовэть дополгштельный стабилизатор. При повышении расходов га-зв факел отрывался от сопол, что сопровождалось- скачкообразным по-ялонием уровня' шума с 85 до 100 дБ (рис.1, кривая I). При испыта-:шх многосопловой лабораторной горелки, основной конструктивной зобенкостью которой являются дополнительные кислородные ступенчато сопла, в полном соответствии с образцом наблюдалось устойчивое эзотрывноэ горение факела во. всем исследованном диапазоне расхода газа. Уровень шума при этом изменялся незначительна и не" прознал 95 дБ (рис.1, кривая 2). • •

Измерение уровней тепловых потоков в поперечных сечениях факе-)в' двухсопловой (рис.2,, кривая I) и шогосопловой. (рис.2, кривая ) горелок подтвердило намного более высокую тепловую эффективность югосопловой горелки, что такго хорошо согласуется с известными ззультаташ промышленной эксплуатации. Таким образом, результаты зделирования многосопловой и двухсопловой горелок подтверждают завомэрность проведмгля лабораторных исследований, с целью прог-ззпровагшя свойств промышленных горелок при соблюдении перечислон-IX выше условий.

1Сак показали лабораторные исследования, основной причиной наб-эдзвшегося на практике скачкообразного повышения уровня иущ го-нгая в отдельные периоды .плавки язляется отрыв факела от сопел го-?лки- Установлено, что отрыв факела двухсопловых горелок могет ггь устранен за счет использования з конструкции горелки дополш!-

-ю-

îVV» •>

¿Г,мм

Р*С.2

тельных элементов, таких, например, как сзупекчатыо кислородные сопла или выборки особой конфигурации возле сопел.. Вместе с тем, несмотря на существенное снижение уровней шута двухсопловых горелок за счет введения в их конструкцию указанных элементов (рис.1, кривые 3 и 4), уровни тепловых потоков-при этом практически не изменились (рис.2, кривые 3 и 4) и биш!'более чем вдвое нпяе значений соответствующих потоков многосопловнх горелок (тас.2, кривые 2 и 5).

Результаты лабораторных исследований горелок получили удовлетворительное подтверждение и при проведении испытаний их макетов. Это относится к изменениям как уровня шума, так и к тепловой эффективности горелок. Тепловую эффективность определял! в кратковременных испытаниях макетов на ДСП по времени достижения температуры оплавления кусков шихты, находящихся вблизи горелки. Таким образом, методика прогнозирования основных характеристик промышленных горелок по результатам лабораторных исследований их моделей получила достаточное обоснование и монет быть рекомендована для разработки новых мощных ТКГ- для современных ДСП.

Па основании результатов лабораторных исследований п макетных испытаний била разработана оригинальная конструкция промышленной многосопловой сводовой горелки. Максимальный расход природного газа 2000 м3/ч, кислорода - 4000 м3/ч. ?.'лкси;.аль-кая тепловая мощность горелки - 20 МВт. Скорости истечения природного газа 210 м/с, кислорода - 240 м/с. С целью более глубокого проникновения факела в слой шихты медная головка наклонена под углом 45° к вертикальной оси горелки. Чередующееся расположение на единой окружности газовых и кислородных сопел достигается благодаря особой форме головки. В центра' окружности-располагается одно кислородное сопло большого диаметра.

. Промышленный образец сводовой многосопловой горелки был установлен- на ЮО-т электропечи сСПЦ-2 ЧШС.-В процессе опытной эксплуатации горелки били получены хорошие тепловые,аэродинамические и акустические показатели. Анализ результатов 40 плавок, проведенных с горелкой в компании 109 плавок показал, что расход электроэнергии на расплавление шихты при относительно небольшом удельном расходе природного газа 7,1 м3/т сократился на 53 кВт-ч/т (9,2 %), а длительность плавления-на 28 пин (13,8 %). Такие результаты можно считать вполне удовлетворительная.

Замеры шума ка печи, оборудованной-горелкой, показали, что её работа не оказывает влияния на общий уровень щума печи, по -

скольку величина последнего (115-116 дБ, А) значительно превышает уровень щука собственно горелки (108-110 дБ,А). Этот уровсць сущест езнко ниже шума обычной двухсопловой горолки, который'при равной мощности составляет 112-114 дБ,А.

В дальнейшем варианты разработанной и внедренной многосопловой горелки были использованы в рабочих проектах ДСП нового поколения конструкции НИШ.

3. Исследование некоторых закономерностей слоевого • нагрева лома тоштвокислороднш факелом.

Процессы нагрева слоя лома факелами топливокислородных горелок з условиях ДСП относятся к малоизученным. Это вызвано известишь: трудностями исследований таких процессов,как в промышленных условиях, так и методами физического и математического моделирования. При таком моделировании лошш подобия собственно горелок нообхо-.димо рассматривать таисе и весь комплекс условий, характеризующих процессы нагрева лома. Эти условия определяются соотношением размеров модели, массы лома и тепловой мощности горелок, размерами и физическими свойствами кусков и слоя лома, аэродинамическими и тепловыми характеристиками факелов, распространяющихся в слое, температурным уровнем процесса и другими параметрами, от выбора которых зависит степень подобия явлений на модели и на.образце.

Следует отметить, что при огневом моделировании нагрева лома не требуется соблюдения•одинаковости геометрических масштабов дан модели рабочего пространства печи и для модели головки горелки, а также одинаковости соответствующих 'числе Ке . Важно лишь проведение исследований в .автомодельном режиме, который, благодаря тур-булизирующему воздействию кусков лома, наступает на модели при относительно небольших значениях Яе .

Величины расходов' природного газа 'и кислорода на горелку при ■ моделировании, размеры огневого стенда, определяли, основываясь на известном критерии Больцмана ( Во ), а также на равенстве относительных импульсов горелок.; В .обоих случаях получены близкие результаты, что указывает на достаточную степень подобия и позволяет остановиться на найденных с их помощью линейных масштабах огневого стенда и расходах- газов на горелку.

Исследование нагрева шихты топливокнелородным факелом проводили ка огневом стенде, представляющим собой упрощенную модель Довыполненную в масштабе 1:10. В качестве шихты использовали набор регулярно установленных, вертикальных металлических стержней - об-

разцов лома, которые с целью предотвращения окисления были выполнены из нержавеющей стали гарей XI8HI0T. Для нагрева пихты применяли многосошговую поворотную ТКГ внешнего смешения, подобную разга-ботамней.

Эксперименты на стеэдо включали как огиезое, так и холодное моделирование. В зависимости от объемной плотности шихты р , которую в экспериментах изменяли от 0,8 до 4,7 т/м3,определяли коэффициенты полезного теплоиспользования ,' объем'зоны активного нагрева пихты факелом со скоросгягяг дззшенкя газов не нияе I и/о V и поверхность нагрева пихты S , находящейся з этой зоне, а также значения коэффициента теплоотдачи сС . При провзденнп огневого моделирования оценивали влияние на £ длительности нагрева

t и наличия теплоизоляции на внутренних стенках модели. Эксперименты проводили как с поворотной, так и неподвилшой горелкой при постоянных расходах природного газа и кислорода соответственно 2,5 и 5,0 м3/ч. Максимальные температуры в зоне нагрева достигали 1350-1450 °С.

При холодном моделировании установлено, что с увеличением J) объем зоны V уменьшается в несколько раз, а сама зона локализуется з области, расположенной вблизи водоохлаядаемай стенки модели, что объясняется увеличением гидравлического сопротивления шихты. Величина S при этом увеличивается п достигает максимального, постоянного значения при J3 = 2,2-2,4 т/м3. Подобны"! характер имеют зависимости как для поворотной, так и доя неподзигкол горелки, однако в последнем случае абсолютные значения V и S уменьшаются в 2-2,5 раза.

Одной из величин, оказывающих наибольшее влияние на эффективность нагрева лома топливокислородным факелом, является коэффициент теплоотдачи • О- . Для выявления характера зависимости средних (-эффективных) значений сС -в зоне V от J) использовали методику, основанную ка анлогии процессов тепло-н маесообмена. Металлические стержни в зоне активного нагрева заменяли одинаковыми по размерам стерякями, выполненными ni нафталина. Гидродинамическая картина движения факела имитировалась потоком холодного воздуха, подаваемого через сопла неподвижной горелки с расходами, равными расходам природного газа и кислорода. Потерю.массы нафталина в результате продувки воздухом А И определяли взвешиванием с _ точностью до 0,5 %. Определив поток массы нафталина ^ с'поверхности цилиндров S в зоне активного нагрева . j-^- • , '•

находили коэффициент массоотдачи £ из выражения ~с?". ,

в котором ;рп - плотность паров.нафталина на поверхности цилиндров, кг/м3. Вел1!чину ра определяли из уравнения состо&ния одеального газа , где Рп - давление насыщенных па-

ров нафталина на поверхности цилиндров, кг/м^; Т -температура воздуха для продувки, К. Величину Рп определяли с.помощью выражения

^ Рп = 13,565 - Щ2 -

Значения ]Ь и связаны пропорциональной зависимостью.

Поэтому полученные результаты позволяют судить о характере изменения ос с увеличением £ . Приближенно пересчет значений ^ на ос можно выполнить по уравнению:

где

Рг= Уа. - критерий Прандтля;

5с = - критерий Шмидта; ч,(1,ег),Л. - соответственно коэффициенты кинематической вязкости,-температуропроводности, диффузии и теплопроводности.

Результаты пересчета приводят к значениям оС , изменяющимся в диапазоне от 100 до 30 Вт/м2 -К.

Уравнение теплового баланса огневого стенда за период нагрева шихты имеет вид:

где Сг - тепло от сгорания топлива, кДя;

■ - тепло, выделяющееся при окислении материала шихты,кДж;

С?и - энталышя, или полезное теплоусзоение-шихты (за время нагрет), кДд; - потери тепла с отходящиш дымовыми газами, кДн;

С?ь - потери тепла с охлаждающей водой за период нагрева шихты, еДя; . • 0Пр. - прочие потери тепла, кДе. - ■ • Конечный результат нагрева металлоаихты определяется её энтальпией 0И ., от точности --измерения которой зависит разрешающая способность, эксперимента- В работе применяли, метод динамического налориметрирования, причем в качестве калориметра использовалась сака модель ДСП. Энтальпия измерялась после окончания наг-

рева шихты в период её охлаадения водой, смывающей всю наружную поверхность модели. При этом определяется количеством теп-

ла, переданного воде за вромя охлаждения. Погрешность определения не превышала 1,0-1,5 %. Для определения величины возможного окисления шихты её взвешивали до и после эксперимента. Во всех случаях величиной . (3* можно было пренебречь.

Огневое моделирование показало, что абсолютныо значения V? » опроделяемого как отношение энтальпии шихты к количеству тепла, введенного с топливом за период нагрет шихты 0. т , при средне-массовой температуре в зоне нагрева 950-1000 °С достигает 7375 % Срис-3). По мере увеличения длительности нагрева ' , которую в экспериментах изменяли от 7 до 28 мин., коэффициент ^ уменьшается практически- вдвое. Значения £ для поворотной горелки на 5-6 % (абс.) вппэ, чем для неподвижной (рис.3, кривые I и 2). .

Установлено, что при отсутствии теплоизоляции стенок зависимости 2 ~1" ^Р ^ носят отчетливо выраженный экстремальный характер (рис.3, кривые 1...3). При этом независимо ни от X" , ни от' использования поворотной или неподвижной горелки максималь- ■ ннм значениям ^ соответствуют одни и те же значения р , лежащие в относительно узком интервале 2,2-2,4 т/м3.

При теплоизоляции стенок модели о ростом' ^ от 0,8 до 2,22.4 т/м3 значения : увеличиваются по затухающей кривой и при дальнейшем повышении- ^ остаются постоянными (рис.З* кривая 4). По сравнению с опытами на модели без' теплоизоляции стенок при боль-иих значениях . значения ^ . повышаются на" 20-30 $(отн.)

(рис.5, кривые 3 и 4). •• ■

Различный характер кривых ¡^ - (( для стенда без теплоизоляции и с теплоизоляцией объясняемся резким изменением уровня тепловых потерь через стенки стенда, а' также установленными при холодном моделировании зависимостями V , Ь и от р .

Данные, полученные методами физического моделирования, показывают, что на современных печах, оборудованных водоохлаждаемымя сводок« и стоповыми панелями, коэффициенты полезного топлоисполь-зоваштя £ могут достигать весьма высоких значений, сопоставим:«: с КПД электроустановок печен. Основными условиям кхфектив-юго повшмшя мощности 'ГКГ и количества полезно используемого в !;0П топлива являются увеличение поверхности кусков лот, контак-гирующих с факелами, а также использование лома оптимальной обьем--:о!: плотности. Этим условиям соответствует применение высокомощна ТКГ с большоГ: кинетической энергией и изменяющимся по ходу шгрева лома направлением,факелов.

Jo 90

i-1_i_i_

0 • \0 2,0 3.0 А О Y,

fite

Рис.3

4. Разработка установок топливокпслородных горелок для современных высокомощных ДСП .

4.1. Установка сводовых ТКГ на ДСП-ЮО ЧМК.

Принципиальной особенностью электропечи ДСП-ЮО ЧЖ, разработанной коллективом специалистов ИСТ, 41,ТК и Чолябгипроыезом для реконструкции электросталеплавильного цеха В 2 ЧМК, является относительно небольшая мощность трансформатора, составляющая всего 60 ММ, что компенсируется использованием разработанных высокомощных ТКГ, Такое сочетание снижает расход электроэнергии и электродов и облегчает установку печи в действующем цехе, поскольку уменьшает требования к питающим электросетям. -Расчетная продол-нительность периода плавления пихты составляет 55-60 шн., расход электроэнергии на плавление - 320-350 кВт-ч/т, годовая производительность около 400 тыс.т. Достижение приведенных показателей при умеренно"; электрической мощности печи обеспечивается двумя сводовыми газокислородным горелками, общая максимальная мощность которых составляет 40 .МВт. Слелует отметить, что такая высокая мощ-. ность ТКГ, но имеющая аналогов в мировой практике, обусловлена оригинально:'! конструкцией установки горелок, обеспечивающей значительное повышение эффективности использования топлива.

В соответствии с разработанным энерготехнологическим режимом плавки длительность нагрева шихты горелками одновременно с дугами составляет 15 шн. после основной завалки, 10 мин.- после подва.?--ки. В точение этого времени при србдней мощности горелок 30 МВт в печь вводится с топливом 12500 кВт-ч энергии или 125 кВт-ч/т. При отношении к.п.д. газового отопления к к.п.д. электрического нагрева, равном 0,7-0,75, это позволит уменьшить необходимый на расплавление I т пихты расход электроэнергии на 90-94 кВт-ч/т.

В отличие' от известной схемы установки сводовых ТКГ, согласно которой горелки стационарно располагаются в двух или трех точках на своде печи, две сводовые поворотные ТКГ на ДСП-ЮО ЧГЖ •перемещаются на телекхах по обе сторонц, стационарного газоотводя-щего патрубка и в исходном, нерабочем положении находятся сбоку от печи. Такое размещение установки решает проблему ее ремонтопригодности, поскольку позволяет производить осмотр и замену горелок, ремонт, механизмов установки без остановки печи.

После загрузки шихты в печь горелки перемещаются в сторону -печи, устанавливаются над отверстиями в своде, а затем по программе, заложенной в ЛСУТП, опускаются в рабочее пространство печи.

По достикении горелкой рабочего положения автоматически открываются отсечные и регулирующие клапаны на трубопроводах подачи газа ■ и кислорода и устанавливается рабочий расход газа 2000 м3/ч и кислорода 4000 м3/ч на кадцую горелку.

Повороты горелок могут производится как в автоматическом,так и ручном режимах. В первом случае горелки непрерывно поворачиваются от одного крайнего положения до другого и обратно по колебательно^ закону с периодом цикла колебания 40-50 с. Во втором случае горелки могут поворачиваться оператором. При поворотах из стороны в сторону зона нагрева значительно расширяется и в процессе интенсивного нагрева вовлекаются обширные области шихты перед рабочим окном, в районе сталевыпускного отворстия, а такяе в "холодных" зонах меяду электродами.

По истечении времени работы горелок, значение которого введено в программу ведения славки, автоматически закрываются отсечные и регулирующие клапаны на трубопроводах подачи газов, горелки отключается и поднимаются в верхнее положение, а затем откатываются на телеяках от печи.

4.2. .Установка эркерных ТКГ на ДСП-Ю0И6 ОХМК .

Конструкция установки сводовых поворотных ТКГ на ДСД-100 Ч?Ж во многом решает вопросы, связанные с ео ремонтопригодностью. Од- .' нако при этом не устраняется принципиальный недостаток подобных и других установок, заключающийся в невозможности введения факела под слой шихты'на уровне поданы печи, что обеспечило бы максимальную эффективность использования топлива. Даяе при полном опускании сводовых горелок в печь до уровня откосов ванны большая часть шихты, расположенная нияе, оказывается не подверженной воздействию факела. Но и такое опускание горелок не всегда возможно, поскольку на ряде плавок лом может располагаться под горелками вплотную к стенкам печи. '

Решению этой проблема способствовало бы размещение горелок под слоем шихты, в подине. Однако реализация способов нагрева шихты,' при которых горелки, расположены в подине печи," несмотря на их высокую энергетическую эффективность, связаны со значительными-трудностями. В жидкие периоды плавки,, например, возникает необходимость продувки горелок инертным газом. Горелки не могут быть выполнены водоохлаздаемыми и должны изнашиваться шесте с футе-, ровкой подины, которая ¡зри этом значительно ослабляется. Все .это накладывает на конструкцию горелок те яе ограничения, что и на

донные продувочные фурмы кислородных конвертеров. Такие горелки могут успешно использоваться, в основном, для вдувания в жидкую ванну пылеугольного топлива и кислорода, как это имеет место в процессе К-Е-й , но они шло пригодны для нагрева лома.

В Научно-исследовательском институте металлургии (НИШ) предложена новая концепция ДСП с высокомощными ТКГ. Согласно этой концепции нельзя ограничиваться приспособлением установок горелок к . традиционным конструкциям печей, сложившихся без учета требований, обеспечивающих эффективное использование в ДСП больших количеств топлива. Необходимо, идя навстречу этим требованиям, существенно менять и основные параметры самой печи, поскольку ТКГ должны рассматриваться уже в качестве не вспомогательных, а равноправных с электрическими дугами источников энергии. Основываясь на этой концепции при непосредственном участии автора был разработан принципиально новый способ установки высокомощных ТКГ на ДСП, сочетающий преимущества вертикальных сводовых и подовых горелок и устраняющий их недостатки.

Новый способ установки ТКГ требует существенного изменения конфигурации подины печи. В подину встраиваются дополнительные зр~ керные камеры, аналогичные той, которая служит для эрнерного выпуска плавки. Многоропловые вертикальные горелки с боковым расположением, сопел" езодятся в печь через водоохлаждасмые сво-дшот этих дополнительных камер. Сводили располагаются на минимальной высоте, исключающей их соприкосновение с жидким металлом и шлаком при наклонах печи. При такой установке'горелок факелы могут вводиться под слой лома на уровне.поданы печи,- а сами горелки не требута особой защиты, т.к. в жидкие-'периоды плавки выводятся из рабочего'пространства.

Перзая установка двух эркерных ТКГ суммарной тепловой мощностью 40 МВт была разработаю применительно к реконструкции высокомощных почей типа ДСП-Ю0И6 ЭСПЦ Орско-Халиловского металлургического комбината. Дополнительная камера для ввода эркерных ТКГ, закрытая водоохлаждаемым сводиком. размещена в зоне рабочего окна печи.

Установка эркерных ТКГ полностью г.'оха: и зп розана и автоматизирована. Ввод ое в работу производится автоматически, согласно АСУТП хлавки. Предусмотрено также и ручное управление горелками о вияое-зого пульта, расположенного на рабочей плопшесе. Каждая горелка мо-звт вводиться в работу самостоятельно, независимо от другой.

В отлично от других установок горолок, процесс нагрева шихты поворотными эркерными горелками имеет принципиальные особенности. Он сопровождается непрерывным поступлением относительно холодного лома в зону действия факелов за счет опускания верхних слоев шихты по мере осаживания нижних. В результате устраняются местные перегревы лома и в течение длительного времени поддержвается конвективный контакт факело'в с развитой поверхностью нагреваемой шихты. Повороты и изменения положения горолок по высоте обеспечивают относительно равномерное распределение греющих газов по всему сечению столба шихты, что еще более повышает эффективность использования топлива. Эркерные ТКГ могут быть использованы также и.для работы на пылеугольнсм топливе, вдуваемом в потоке кислорода, как это реализовано в К-ЕБ процессе.

4.3. Установка эркерных ТКГ на печи нового поколения типа ДСП-ЮО УМЗ

Электропечь типа ДСП-ТОО УМЗ, разработанная коллективом специалистов НИШ, Узбекского металлургического завода (г.Бекабад), Сибэлектротерма (г.Новосибирск) И Челябинского Гипромеза, предназначена для реконструкции ХПЦ УМЗ. На первом этапе реконструкции она заменит одну из.трех действующих в цехо печей типа ДСП-ТОО НЗЛ, Конструкция ново-" печи включает установку эркерных ТКГ, суммарная тепловая мощность которых составляет 40 МВт. Печь оснащена печным трансформатором мощностью 80 МВА. Расчетная длительность плавления составит не1 более 45-50 мин. расход электроэнергии на плавление -370-380 кВт-ч/т, ожидаемая производительность печи 600 тыс.'т заготовка в год. • • •

В отличие от печи ДСП-100И6 ОХМК, на печи ДСП-ЮО УМЗ дополнительная камера для ввода эркерных ТКГ, закрытая водоохлагкдаемым сводкком, размещена в боковой части подины под газоотзодящим патрубком. Эркерные горелки не располагаются на сводике дополнительно;! камары, а.с помощью механизмов отворота могут отводиться от-печи, что повышает их эксплуатационную надежность и облегчает обслуживание. .

... выводи

I. Для исследования малоизучешшх вопросов нагрева слоя лома тошгпвакислородным факелом в условиях ДСП и разработки на этой основе новых более эффективных горелочных устройств разработан огневой стенд, обеспечивающий прямое измерение энтальпии нагрето?' шихты по способу динамического калориметрирования с погрешностью, не презыза^щай 1,2.-1,4

2^ Методами холодного гидравлического моделирования установит, что с увеличением объемной плотности шихты ' р от 0,8 до 1,7 т/м3 объем активной зоны действия факела V уменьшается в юсколъко раз, а сама зона локализуется вблизи водоохландаемой зтенки модели. Величина суммарной поверхности контакта факела с шхтой 3 в зоне V с увеличением р скачала возраста-:т, а при р = 2,2-2,4 т/м3 стабилизируется на максимальном гровне. Подобный характер рассматриваемых зависимостей наблюдается как для поворотноГ!, так и для горелки с постоянным направление,«! ?акела, однако в последнем случае абсолютные значения V и 5 гкснъшаются в 2,0-2,5 раза.

3. Установлено, что с увеличением р от 0,8 до 2,2-2,4 т/м3 :родш:е по 3 значения коэффициента теплоотдача! от факела к шпх-;е ОС в зоне V снияагаатся от значений порядка 100 Вт/м^.к 50 30 Вт/м^.к, а при более высоких р практически не изменяют-:я.

4. Огневое моделирование нагрева лома на стенде с неизолиро-!аннш,и водоохладцаемымп стенками показало, что зависимости коэффициента полезного теплсиспользоЕания ¡^ от й в этом слу-;ае носят отчетливо выраяеннкй экстремальный характер. Установле-;о, что независимо ни от длительности нагрева, изменяющейся от 7 [о 30 шн, 1Ш от работы горелки в поворотном или стационарном рожи, максимальные значения г? достигаются при одних и тех

! р , лелащих в узких пределах 2,2-2,4 т/м3. При сроднемассо-1ых тег.шературах шихты в зоне V 950-1000 °С максимальные зна-¡ения ^ для горелки с изменяющимся направлением факела сос-авляют 0,73-0,75. Для стационарной горожи эти значения иияаются на 5-8 % (абс.).

5- На стенде с теплоизолированными стенками характер зависи-гасти ^ от р существенно меняется. С увеличением Р ;о 2,2-2,4 т/м3 значения ¡7 . возрастают, а затем стабилкзи-уются на уровне, который при больших длительностях нагрева на 0-30 % (отн.) превышает соответствующий максимумы при отсутствии ■золяции. Изменение характера кривых ¡?^Ср)лри резком изменении ровня тепловых потерь через стенки стенда объясняется установление! при холодном моделировании зависимостями V , 5 и т ■ • ■ •

6. Данные, полученные методами физического цодвлйравзкпя, пс-азнвают. что на современных ДСП, оборудованных водооаагдгоггет водами и стеновыми панелями, коэффициенты полезного использогл-

ния топлива £ могут достигать весьма высоких значений, близких к КПД электроустановок печой. Основными условиями эффективного повышения мощности топливокислородных горелочных устройств ДСП и количества полезно используемого топлива являются: соответствующее увеличение поверхности кусков лома, контактирующих с факелами, за счет рассредоточенного их ввода в слой шихты, а такие использование лома оптимальной объемной плотности.

7. Показана возможность и результативность исследований высокомощных газокислородных горелок внешнего смешения на их лабораторных моделях. Установлено, что при геометрическом подобии горелок, одинаковых с образцом топлива и окислителе, а также близких значениях начальных скоростей истечения струй обеспечивается удовлетворительная степень подобия геометрических, тепловых и акустических характеристик факелов, достаточная дат сопоставления разли1 ных конструктивных вариантов и выбора из них наилучших для дальне ших испытана'У в промышленных условиях. Такой методический подход позволяет резко сократить затраты времени и средств, необходимые для разработки и внедрения новых конструкций горелок для ДСП и других высокотемпературных установок.

8. С использованием предложенной методики путем исследований ряда конструктивных- вариантов лабораторных-горелок, включающих фо тографирование факелов, измерение тепловых потоков и шумовых характеристик, разработана оригиналыгая дсв^тксопловая газокислород ная горелка внешнего смешения, предназначенная для высокомощных, крупнотоннажных ДСП. Горелка отличается хорошим смешением топлива кислорода, большой кинетической энергией и высокой нагревательной способностью факела в условиях ДСП При относительно низком уровне

- сума. Максимальная .мощность горелки составляет 20 МВт, что применительно к горелкам на ДСП не имеет аналогов.

9. Длительные промышленные испытания разработанной девятисоп ловой горелки га ЮО-т ДСП ЭСПЦ-2 ЧЖ подтвердили её эффективней: к высокую эксплуатационную надежность. При удельном расходе топлива 7,1 м3/ч расход электроэнергии на расплавление шихты сократился на 53 кВт-ч/т (9",2 %), а длительность плавления на 23 мин (13.8 %).

Работа горелки не оказывает влияния на общий уровень шума пе чп, поскольку величина последнего (115-116 дБ,А) значительно превышает уровень пума собственно горелки (103-1X0 дБ,А). Зтот уро-.вень.суззствзкно ш—е' шума обычной двухсопловой горелки, который ирг равно;; мощности составляет II2-114 дБ.А.

- 2-3 -

10. Созданные иного сопловые горелки нашли применение' в проектах высокомощных 100-т ДСП нового поколения, разработанных в' Челябинском научно-исследовательском институте металлургии (КЕМ) совместно с Челябгипромезом и предназначенных, в частности, для проводимой в настоящее вреш реконструкции ЭСПЦ Узбекского мстза-вода и ОШК. Предусмотрено оборудование этих печей двумя таким*; городками общой мощностью 40 МВт.

11. На ДСП конструкции НИЙД реализован новый тип установок горелок с размещением их в дополнительных эркерах, выполненных в подине и откосах печи. Установки эрхерного типа в сочетании о поворотными горелками обеспечивают ввод факзлов под слой пихтн на уровне подины с равномерным распределением потоков газов по ссчо-нпю рабочего пространства печи. Таким образом создаются условия теплопередачи, близкие к оптимальным.

Основные иаучнко результаты 'диссертационной работы представлены в публикациях

1. Предварительный нагрев шихты газокислородной горелкой з плазменных дуговых сталеплавильных пе^чах /Э.Н.ТУлусвскпй, Г.Л.Ко-юзчешго, И.М.Магидсон и др.// Изв.вузов. Черпая металлургия.-1936.- Я 7- С. 42-44.

2. Интенсификация выплавки стали и сплавов в плазменных дуговых печах./ Г.А-Конвченко, И.И.Магидсон, Ю.Н.Тулуевскпй и др. //Металлург.- 1938.- й 2.- С-28-30.

3. Комбинированное использование электроэнергии и топлива в дуговых сталеплавильных печах./С.Ф.Соколевских, Г.А.Кояюченко, И.М.Магидсон и др.//Интенсификация выплавки металла с использованием природного газа и кислорода.- Киев. -1987. - С.68-72.

4. Оконная газокислородная горелка дая мощной дуговой сталеплавильной печи.ЛГ.М.Магидсон, Р.Д.Ибатуллнн, ТО.Н.Тулуевский и др.// Черная металлургия.- 1939.- М ? .-С.55-56.

' 5. Сводовая газокислородная горелка усовершенствованной конструкции./И.М.Магидсон, Г.А.Конюченко, -Ю.Ф.Маменко.'// Информ. лист й 599-87 - Челяб.межотрасл. территориальный центр НТИ и пропаганды.

6. Исследование нагрева лот газокислородной горелкой в дуговой сталеплавильной печи методами огневого моделирования.

/И-М.Магидсон, Ю.Н.ТулуевскпП, И.Ю. Зинурсв-// Изв.вузов. Черная металлургия.- 1992.- « 3 - С-57-70-, - .

7. А-с. 1333965 СССР, МКИ 23-ДГ4/38, Опубл. Б.И.-1987,-

" ' '/<г/