Реферат: Исследование методов охлаждения садки колпаковой печи с помощью математического моделирования

Расчетным путем и экспериментально установлено, что в колпаковых печах с циркуляцией защитного газа под муфелем, лимитирующим звеном суммарной теплопередачи при охлаждении рулонов является наружная теплоотдача от муфеля к окружающей среде. Интенсификация теплоотдачи при принудительной наружной обдувке муфеля воздухом или при его поливке водой позволяет существенно ускорить процесс охлаждения и повысить производительность печей. Значительного эффекта достигают также при установке дополнительных охлаждающих элементов (например водоохлаждаемых труб) на пути циркулирующего под муфелем защитного газа (или части газа) в выносных трубчатых водяных холодильниках с развитой теплообменной поверхностью. Эти методы исследованы и опробованы на отечественных заводах, что позволяет оценить их эффективность для различных рулонов и дать рекомендации по их промышленному использованию.

При исследовании, в зависимости от размеров рулонов автомобильного листа,  на Череповецком металлургическом заводе время охлаждения до 180 0С при воздушной продувке менялось следующим образом (табл. 5).

Учитывая относительно небольшую эффективность этого метода, некоторые отечественные заводы считают почти неоправданными затраты на изготовление, освоение и эксплуатацию колпаков воздушной обдувки. Однако этот вывод можно признать справедливым лишь для случая отжига высоких рулонов малого диаметра, когда прирост производительности не превышает 5-6 %. Для рулонов большего диаметра из тонкой жести при охлаждении под муфелем до 120-140 0С воздушная обдувка позволяет повысить производительность печей на 10-15 %, следовательно ее применение целесообразно. Это подтверждено многолетней практикой экономически выгодного использования аналогичных колпаков воздушной обдувки на многих заводах США, Франции и Германии.

                                                                                                                            Таблица 5

Соотношение размеров рулонов и продолжительности времени их охлаждения

Наружный диаметр рулона, м	Высота рулона, м	Уменьшение времени охлаждения, %
1,45	1,45	8
1,78	1,28	12
2,0-2,1	1,02	18

Поливка муфеля водой весьма эффективна: во всем практическом диапазоне параметров рулонов и конечных температур охлаждения достигают сокращения времени охлаждения на 30-50 % или прироста производительности на 20-35 %. Влияние параметров рулонов меньшее, чем при воздушной обдувке, поэтому поливка водой эффективна для всех рулонов /3/.

Однако этот метод применяют очень ограниченно, что обусловлено рядом конструктивных и эксплутационных недостатков: сложной конструкцией и плохой стойкостью муфеля, недостаточной надежностью затворов, потребностью в больших количествах воды, значительными паро- и влаговыделениями в цех, загрязнениями цеха, задалживанием кранового оборудования. Работы по совершенствованию метода поливки муфеля водой продолжаются, но в настоящее время его нельзя рекомендовать к внедрению в современных цехах с большим числом крупных колпаковых печей.

Колпаковая печь с выносными холодильниками защитного газа: на сегодняшний день  является одним из наиболее прогрессивных видов ускоренного охлаждения муфеля. Каждый холодильник составлен из двух стандартных калориферов КФС-6, заключенных в газоплотный сварной кожух. Системой плотных газопроводов холодильники присоединены к основному теплообменному контуру циркуляции защитного газа под муфелем. Таким образом организованы два дополнительных теплообменных контура циркуляции газа через холодильники. В период нагрева клапаны закрыты и защитный газ под муфелем циркулирует по обычной схеме. В начале охлаждения клапаны открывают и в результате перепада давлений, создаваемого стендовым вентилятором, часть горячего защитного газа начинает циркулировать через холодильники, отдавая им тепло. Охлажденный газ вновь поступает под муфель, где, смешиваясь с основной массой циркулирующего газа , понижает его температуру и ускоряет охлаждение рулонов.

Полученные экспериментальным путем данные указывают на существенное возрастание эффективности этого метода при понижении конечной температуры охлаждения рулонов под муфелем. Поэтому его использование особенно целесообразно для рулонов качественного металла и жести, когда сокращение времени охлаждения достигает 40-45 %, что соответствует приросту производительности на 25-32 %.

Метод ускоренного охлаждения рулонов в колпаковых печах под муфелем с циркуляцией части (7-11 %) защитного газа через выносные холодильники выгодно отличается от других методов сочетанием высокой эффективности с экономичностью, компактностью, надежностью, удобством эксплуатации, обслуживания и многого другого. Его применение позволяет улучшить использование энергии стендового циркуляционного вентилятора и снизить удельный расход защитного газа при сравнительно небольшом увеличении потребляемого количества охлаждающей воды. Все узлы установки относительно просты, а стоимость установки не превышает 2-3 % стоимости сооружения печей. Все это позволяет рекомендовать применение выносных холодильников на производстве. Производительность охлаждения с   применением    установки     возрастает  на 23 %.

Сравнительные данные по охлаждению рулонов в колпаковых печах разных фирм представленные в табл.6. Нужно отметить, что эксплутационные данные для ЛПЦ-2 КарМК (Карагандинский металлургический комбинат) относятся к условиям работы в наиболее жаркое время года (с апреля по август). Приведенные данные показывают возможность увеличения производительности стенда по охлаждению не менее чем в 3 раза в условиях использования водородной атмосферы и почти в 2 раза для условий преимущественно азотной защитной атмосферы. Представленные данные характеризуют процесс охлаждения до температуры  140-160 0С /2/.

                                                                                                   Таблица 6

Сравнительные данные по охлаждению рулонов в колпаковых печах разных фирм

Фирма, предприятие	Способ охлаждения	Защит-ная атмос-фера, %		Масса садки, т	Время охлаж-дения, ч	Произ-води-тель-ность, т/ч
		Н2	N2
Стальпроект КарМК, (ЛПЦ-2)	Выносные холодильники без вен-тилятора	5	95	143,2	91,9	1,56
Эбнер	Водовоздушное охлаждение муфеля	5	95	79	29	2,72
Эбнер, НЛМК	Водовоздушное охлаждение муфеля; HICON/H2	25	75	96	19	5,1
LOI	Выносные холодильники с дополнительными вентиляторами	-	100	110	19	5,6

С учетом положительного опыта КарМК по эксплуатации и техническому обслуживанию выносных холодильников защитного газа, а также конструктивных разработок ВНИИМТ (научно-исследовательский институт металлургической теплотехники) по совершенствованию конвективного теплообмена  в высокотемпературных агрегатах было принято решение о разработке системы принудительного охлаждения рулонов защитным газом с использованием специального вентилятора в рециркуляционном контуре.

На рис.1 показана схема ускоренного охлаждения рулонов. Стенд 1, на котором под муфелем 2 находятся рулоны 3, снабжен каналами 8 и 9 для отсоса и подачи защитного газа в подмуфельное пространство. К этим каналам подсоединяются модули охлаждения 10. Каждый модуль 10 включает в себя циркуляционный вентилятор 11, газоводяной холодильник 12 с патрубками для подвода и отвода воды 13, регулировочный шибер 14, байпасный шибер 15 и отсечной шибер 16, служащие для регулирования газодинамического режима работы устройства /3/.

Схема стенда колпаковой печи, оборудованной модулями ускоренного охлаждения

 4 - песочный затвор; 5 - рабочее колесо; 6 - электродвигатель; 7 - опорное конвекторное колесо; остальные обозначения - в тексте

Рис.1

Защитный газ из подмуфельного пространства через каналы 8 отсасывается циркуляционным вентилятором 11, который подает газ через холодильник, где он охлаждается за счет теплообмена с трубами, внутри которых циркулирует вода. Охлажденный защитный газ через каналы 9 поступает в подмуфельное пространство. После взаимодействия с охлаждаемой садкой нагретый газ вновь поступает в модули охлаждения.

Разработанный модуль ускоренного охлаждения рулонов представляет собой единый сварной корпус, в котором смонтированы циркуляционный вентилятор, газоводяной холодильник, подводящие и отводящие короба. Корпус имеет присоединительный фланец для установки его на стенде реконструированной для этой цели колпаковой печи.

Газоводяной    холодильник  выполнен  из  труб коррозионно-стойкой стали диаметром 25 мм. По газовой стороне холодильник установлен на выхлопе циркуляционного вентилятора и имеет один рабочий ход. Теплообменная поверхность трубчатки составляет 18 м2. Холодильник является съемным и при необходимости может быть демонтирован из корпуса модуля.

Проект реконструкции стенда колпаковой печи был выполнен в Стальпроекте и предусматривал установку двух модулей. Защитный газ из рабочего объема печи подводится и отводится через систему канальных отверстий в районе направляющего аппарате стендового вентилятора. Каналы в реконструированном стенде выполнены таким образом, чтобы не нарушать аэродинамику в подмуфельном пространстве и гарантировать отсутствие подсосов воздуха под муфель через оставшийся без изменения песочный затвор стыка муфеля со стендом /4/.

Охлаждающие модули были изготовлены во ВНИИМТ и прошли стендовые аэродинамические испытания.

В процессе проведения промышленных исследований особое внимание уделялось стабильности газового режима под муфелем печи. Более высокий уровень влажности (до -  14 0С по температуре точки росы) в опыте объясняется тем, что это был первый пуск охлаждающих модулей в эксплуатацию, и тем, что модуль начал работу без предварительного запуска вентилятора. Плавный запуск вентиляторов обеспечил влажность под модулем на уровне - 20 0С. После 40 часов работы с начала охлаждения влажность стабилизировалась на уровне - 30 0С. В итоге металл получили светлым, подсосов воздуха в циркуляционный контур модулей в процессе их работы не наблюдалось.

Производительность установки оказалась не ниже, чем на печах фирмы «Эбнер» с водовоздушным охлаждением муфеля (табл. 7 ).

Таблица 7

Результаты опытно-промышленной эксплуатации установки ускоренного охлаждения

Масса садки,               т	Масса рулона, т	Профиль полосы, мм	Продолжите-льность охлаждения до  140 0С, ч	Производите-льность при охлаждении до 140 0С, т/ч	Время между отключением горелок и включением установки, ч
148,0	40,0	0,8×1005	40	3,70	15
116,8	31,0	1,6×1015	45	2,57	21
159,0	39,8	0,8×1255	46	3,45	19
99,8	33,3	0,5×1005	40	2,49	17
131,7	34,5	0,7×1005	50	2,63	16
99,7	28,8	0,7×1255	33	3,02	13
163,2	40,8	0,54×1025	51	3,20	11
120,2	33,8	0,5×985	48	2,50	15

Сконструировали, изготовили и опробовали в промышленных условиях установку ускоренного охлаждения стальных рулонов массой до 45 т в колпаковых печах. Установка представляет собой спаренные выносные газоводяные теплообменники со специальными вентиляторами в рециркуляционном контуре защитного газа. Использование установки позволяет сократить продолжительность охлаждения садки не менее, чем на 40 % (30 часов) и получить производительность охлаждения не ниже, чем для водородных печей фирмы «Эбнер» с водовоздушным охлаждением муфеля /5/. 

Разработанные фирмой «Эбнер» (Австрия) в начале 70-х годов для цветной металлургии и в конце 70-х годов нашедшие применение в стальной индустрии колпаковые печи HICON/H2 R  завоевали себе прочное место. К концу 1991 года в выпускаемых фирмой «Эбнер» колпаковых печах HICON/H2 R отжигалось примерно 6 млн. т/г холоднокатаной широкой полосы (материал глубокой вытяжки, нормального качества и высшей прочности) и приблизительно 1 млн. высокоуглеродистых и легированных сталей.

На газонепроницаемой фундаментальной плите смонтирован корпус стенда из жаропрочной стали с теплоизоляцией (более 500 мм по высоте стенки), заключенный в вогнутый металлический кожух, который даже после нескольких лет работы в горячем режиме остается герметичным. Герметичное резиновое кольцевое уплотнение охлаждается с двух сторон (стенда и фланца муфеля) водой. Двигатель вентилятора также герметизирован при помощи водоохлаждаемого колпака и круглого резинового уплотнения.

Для того, чтобы крыльчатку диаметром почти 1 м с числом оборотов 1500 привести в действие без вибрации (многолетняя разработка фирмы «Эбнер»), вал вентилятора, подшипники и двигатель (55 кВт, 2 скорости вращения) должны быть выполнены чрезвычайно устойчивыми, но несмотря на это расход электроэнергии, благодаря очень легкому водороду (1/14 от плотности N2), падает примерно до 6 кВт. Уже через 15 минут с начала нагрева (можно и также в азотной среде) включать максимальное число оборотов и этим достичь быстрого нагрева.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9