Исследование газодинамики и конвективного теплообмена в пламенных нагревательных печах

Рост экономики страны во многом зависит от уровня промышленности, который определяется наличием в каждой отрасли современного оборудования и технологий. Одним из важнейших показателей работы, которым должно обладать то или иное производство, являются его энергетические затраты на единицу выпускаемой продукции.

В экономически развитых странах появляются технологии, позволяющие резко снизить потребление топливно-энергетических ресурсов. В новых экономических отношениях в нашей стране, для повышения конкурентоспособности товаров на мировом рынке, острой стала проблема перехода от старых энергоемких на новые менее затратные виды производств.

Часто усовершенствовать всю цепочку какого-либо производства не представляется возможным из-за причин, в основном связанных с отсутствием необходимого объема средств. Поэтому в настоящее время приходится заниматься реконструкцией или переоборудованием отдельных звеньев производственной цепи.

Перед металлургической промышленностью проблема снижения топливно-энергетических затрат на производство продукции обостряется наличием не только большого количества разнообразного оборудования, но и устаревших технологий.

Данная диссертация посвящена изучению процессов газодинамики и теплообмена непосредственно в пламенных нагревательных печах различных типов и на их физических моделях.

Цель работы — на основе комплексных исследований тепловых агрегатов снизить потребление топливно-энергетических ресурсов при тепловой обработке металла в печах прокатного производства.

Обозначенная цель была достигнута с помощью решения задач, направленных на реконструкцию тепловых агрегатов, что обеспечило интенсификацию теплообмена в рабочем пространстве печей. Резервы интенсификации нагрева изделий в пламенных печах за счет излучения практически исчерпаны, поэтому в настоящее время дальнейшая интенсификация теплообмена может быть осуществлена за счет конвекции. Этого можно достичь путем нахождения оптимального сочетания конструкции рабочего пространства, схемы отопления и размещения технологического материала в печи. Выше перечисленные факторы позволят не только усилить конвективный нагрев, но и решить проблему неравномерности нагрева металла. Две важнейшие задачи интенсивности и равномерности нагрева в различных типах нагревательных печей можно решить, без больших экономических и временных затрат, с помощью физического моделирования.

Задачи по реконструкции печей решались на основе результатов предварительных балансовых исследований и с помощью новой методики физического моделирования процессов, происходящих в печах, разработанной сотрудниками кафедры «Теплофизика и информатика в металлургии». Методика позволяет воспроизвести в модели два основных процесса: движение газовой среды и конвективный теплообмен, от которых в большей степени зависит интенсивность и равномерность тепловой обработки металлопродукции.

Таким образом, на основании результатов физического моделирования предлагаются решения по реконструкции реальных печей, в результате реализации которых появляются новые конструкции тепловых агрегатов с улучшенными теплотехническими показателями, обеспечивающими снижение энергозатрат на нагрев металла.

5. 4 Выводы.

1. Проведены комплексные исследования натуральной методической печи. Полученные результаты позволили проанализировать работу действующей печи и топливосжигающего устройства. Предварительные результаты первого этапа балансовых исследований позволили определить основные недостатки в работе печи и горелки, и также наметить ряд первоочередных мероприятий направленных на увеличение производительности печи. Основными из них были: установка в нижней части сварочной зоны дополнительных боковых горелок, изменение конструкции горелки, улучшение тепловой изоляции глиссажных труб.

2. После осуществления предложений, составленных по результатам балансового исследования, проведена оценка правильности отдельных изменений конструкции методической печи. С этой целью проведены: новое балансовое исследование печи с экспериментальным нагревом опытной заготовки, расчет теплового баланса и испытание горелки новой конструкции на огневом стенде ВНИИМТ.

3. Осуществление трехзонного режима нагрева металла на втором этапе исследований показало его преимущество, полученное за счет установки боковых горелок новой конструкции, при испытании которых были получены высокие теплообменные и аэродинамические характеристики по сравнению с прежней горелкой. Данные мероприятия значительно увеличили степень равномерности нагрева металла и уменьшили на 10% расход условного топлива.

4. Результаты второго балансового исследования показали правильность выбранных направлений реконструкции печи и позволили окончательно определиться с необходимыми изменениями в конструкции методической печи, которые было решено проверить сначала на модели печи.

5. В связи с предстоящим увеличением производительности печи проведена оценка работы действующего рекуператора и рассчитана измененная его конструкция, которая позволила повысить температуру подогрева воздуха с 300 до 500 °C.

6. Проведены исследования газовой динамики и теплообмена на физической модели сварочной зоны с целью интенсификации тепловой работы печи. Для этого проводилась отработка положения топливосжигающих устройств с различными вариантами угла их наклона к поверхности металла. Чтобы сформировать оптимальные режимы нагрева металла, в модели изменяли отношение расходов газа томильной и сварочной зон. Найдено наиболее эффективное сочетание угла наклона топливосжигающих устройств и изменяемого отношения расходов газа томильной и сварочной зон с точки зрения интенсивного и равномерного нагрева металла. По результатам исследований предложен новый профиль свода и увеличенный до 25° угол наклона горелок сварочной зоны, позволяющие интенсифицировать конвективный теплообмен на 15.20%. Для подтверждения предположений, полученных в ходе моделирования, проведено третье балансовое исследование реконструированной методической печи.

7. Теплотехническое обследование реконструированной методической печи подтвердило увеличение ее производительности. Установлено, что нагрев металла в печи происходит в соответствии с требованиями технологической инструкции по равномерности, как по поверхности нагрева, так и по сечению. Коэффициент полезного действия увеличился на 32%, а удельный расход топлива уменьшился в среднем на 11%- увеличилась стойкость свода и горелочных туннелей, что позволило эксплуатировать печь от одного капитального ремонта до другого, без промежуточных ремонтов.

Таким образом, проведенные комплексные исследования на печи и на модели подтвердили действенность разработанной методики физического моделирования при решении вопросов реконструкции печей с целью повышения производительности и снижения затрат на единицу продукции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В предложенной диссертационной работе представлены материалы экспериментальных исследований тепловой работы типовых пламенных нагревательных печей и их физических моделей.

Рассмотрены конструкции и тепловая работа различных по классу печей, нагревающих металл перед обработкой давлением: камерные печи с изменяющейся рабочей температурой, нагревательные колодцы и методические печи.

Основной целью диссертационной работы является исследование и разработка усовершенствованных конструкций нагревательных пламенных печей, обеспечивающих увеличение производительности, снижение энергозатрат и повышение качества нагреваемого металла.

Для решения поставленных задач использована методика комплексных балансовых исследований выше указанных нагревательных печей, а также разработана усовершенствованная методика исследования процессов газодинамики и теплообмена на физических моделях печей.

Интенсификация теплообмена в рабочем пространстве нагревательных печей с целью повышения производительности и качества нагрева металла является одной из сложных задач металлургической теплотехники. Решение этих задач за счет интенсификации лучистого теплообмена в настоящее время становится все труднее вследствие невозможности дальнейшего повышения температуры огнеупорных материалов.

В данной работе делается ставка на конвективный теплообмен как источник интенсификации за счет усиления газодинамических характеристик продуктов горения, движущихся относительно поверхности нагреваемого металла.

Основными результатами работы являются:

1. Разработана усовершенствованная методика и аппаратурное оформление исследования газодинамики и конвективного теплообмена на физических моделях нагревательных печей.

2. Проведены сравнительные исследования теплотехнических и модельных испытаний печей, подтверждающих адекватность результатов исследований на физических моделях и их натурных аналогах.

3. Получены экспериментальные значения локальных и усредненных коэффициентов конвективного теплообмена в рабочем пространстве моделей нагревательных печей различных классов. На основании анализа полей коэффициентов теплообмена выведена обобщающая критериальная зависимость, позволяющая рассчитывать конвективную составляющую сложного теплообмена в камерных нагревательных печах с различными коэффициентами заполнения рабочего пространства металлом.

4. Разработаны с использованием методики моделирования рациональные конструкции камерной печи и нагревательного колодца, обеспечивающие повышенную равномерность нагрева металла.

5. Проанализирована тепловая работа методических толкательных нагревательных печей на основе комплексных балансовых исследований, результаты которых подтверждены данными, полученными с использованием методики моделирования.

На основании анализа теплотехнических и модельных исследований предложены новые профили свода методических печей, оптимальные углы наклона топливосжигающих устройств и рациональное соотношение расходов газовых потоков, вводимых в сварочную и томильную зоны этих печей.

6. Предложена методика пересчета коэффициентов теплообмена, полученных при модельных исследованиях, в реальные коэффициенты теплообмена, которые необходимо использовать в математических моделях, описывающих тепловую работу реальных печей.

Таким образом, разработанная усовершенствованна методика физического моделирования газодинамики и конвективного теплообмена в рабочем пространстве нагревательных печей различных классов обеспечила получение новых научных и практических результатов совершенствования конструкций и тепловой работы этих печей, обеспечивающих необходимую производительность, повышенную равномерность нагрева металла и снижение затрат топлива и огнеупорных материалов на единицу нагреваемой продукции.