CC BY
94
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
ТЕПЛОТЕХН1КА ТА ТЕПЛОЕНЕРГЕТИКА
УДК 669.1
© Хаджинов Е.А.1, Хаджинов А.С.2, Христенко М.А.3, Пшеничный А.С.4
ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ СУШКИ И НАГРЕВА СТАЛЕРАЗЛИВОЧНЫХ КОВШЕЙ НА МК «АЗОВСТАЛЬ»
Разработана математическая модель, позволяющая проанализировать влияние подсосов холодного воздуха в ковшевое пространство на эффективность нагрева кладки. Расчеты, сделанные с помощью данной модели для 350-тонного сталеразливоч-ного ковша на МК «Азовсталь», показали, что минимизация подсосов воздуха позволит снизить расход топлива для подогрева сталеразливочного ковша на 3-5%. Для этого необходимо осуществлять регулирование разряжения в ковше на минимально необходимом уровне, достаточного для полного удаления продуктов сгорания. Ключевые слова: сталеразливочный ковш, тепловой баланс, подсосы воздуха, эффективность нагрева.
Хаджинов Е.О., Хаджинов О.С., Христенко М.А., Пшешчний А.С. Оnтимiзацiя технологИ сушки i нагрiву сталерозливних ковшiв на МК (Азовсталь». Розроб-лено математичну модель, що дозволяе проанал1зувати вплив тдсоав холодного повтря в ковшовий прост1р на ефективтсть нагр1ву кладки. Розрахунки, зроблет за допомогою даног модел1 для 350-тонного сталерозливного ковшу на МК «Азовсталь», показали, що мт1м1зац1я тдсоав повтря дозволить знизити витрату па-лива для тд1гр1ву сталерозливного ковша на 3-5%. Для цього необх1дно здтснюва-ти регулювання розрядження в ковш1 на м1тмально необх1дному р1вт, достатньо-го для повного видалення продукт1в згорання.
Ключовi слова: сталерозливний ювш, тепловий баланс, тдсоси повтря, ефективтсть нагр1ву.
Y.O. Khadzhynov, O.S. Khadzhynov, M.A. Khrystenko, A.S. Pshenichniy. Optimization of the ladle heating and drying technology on Azovstal Iron & Steel Works. The
vertical stand for ladle heating at the Azovstal Iron & Steel Works has been examined. The purpose of preheating the steel ladles is to minimize the heat loss of the metal melt during melting and to increase the service life of the ladle lining. One of the main disadvantages of these stands is uncontrolled air suction. The sucked-in cold air mixes with the combustion products, reducing the temperature of the gas in the ladle space and increasing the amount of flue gases going out. This leads to a decrease in the efficiency of the ladle heating and, accordingly, to over-consumption of fuel (natural gas). To solve this problem a mathematical model has been made up. This model is based on the equation of the thermal balance of the ladle and describes the heat flows inside the ladle during the heating process. It makes it possible to analyze the influence of the cold air suction on the heating efficiency. The adaptation of the model was carried out basing on the data of the mode maps for this type of stands. Calculations made with the help of this model for a 350-ton steel-ladle at the Azovstal Iron & Steel Works showed that minimizing air suction will reduce fuel consumption for heating the steel ladle by 3 to 5%. To do this, it is necessary to regulate the underpressure in the ladle at the mini-
1 мл. науч. сотр., Институт газа НАН Украины, г. Киев, evgen.visi@gmail.com
2 канд. техн. наук, доцент, ГВУЗ «Приазовский государственный технический университет», г. Мариуполь, a. khadzhinov@mail. ru
3 инженер-технолог, МК «Азовсталь», г. Мариуполь, mark.khristenko@metinvestholding.com
4 нач. отд. инноваций и развития, МК «Азовсталь», г. Мариуполь, artem.pshemchnyy@,metinvestholding.com
Серiя: TexHÏ4HÏ науки ISSN 2225-6733
mum necessary level, sufficient to completely remove the combustion products. It may
be reached using automated control system.
Keywords: ladle, heat balance, air suction, heating efficiency.
Постановка проблемы. Стенды для сушки и разогрева футеровки сталеразливочных ковшей имеют низкие показатели энергоэффективности. Вместе с тем, широкое внедрение МНЛЗ в сталеплавильное производство создает высокие требования к тепловой подготовке сталеразливочных ковшей.
В настоящее время нет единой концепции организации стендов для сушки или разогрева сталеразливочных ковшей. В качестве основного способа сушки и разогрева футеровки ковшей используют установки, оборудованные газогорелочными устройствами различной конструкции, которые обеспечивают сушку до 600-800°С или высокотемпературный нагрев до 1100-1200°С. Целями предварительного разогрева сталеразливочных ковшей являются минимизация потерь тепла расплава металла в ходе плавки и увеличение срока службы футеровки ковша.
Вертикальные стенды на металлургическом комбинате «Азовсталь» предназначены для сушки и последующего разогрева стальковшей емкостью 350 тонн до температур 800°С и выше. Ключевым недостатком данных стендов являются неконтролируемые подсосы воздуха через зазор между обечайкой ковша и крышкой величиной до 100 мм.
Подсасываемый холодный воздух смешивается с продуктами горения, снижая температуру газа в ковшевом пространстве и увеличивая количество уходящих дымовых газов. Это приводит к снижению эффективности нагрева ковша и, соответственно, к повышенному расходу природного газа. Оценить эти потери можно составив математическую модель на основе теплового баланса ковшевого пространства.
Анализ последних исследований и публикаций. Целенаправленно проблему подсосов воздуха в ковш практически никто не исследовал. Отчасти это связано с тем, что в процессе сушки избыточный воздух может быть необходим по технологическим соображениям. В большинстве случаев модернизация подобных стендов заключается в модернизации горелочных устройств, в футеровке крышки ковша современными огнеупорными материалами и во внедрении системы автоматизированного управления стендом [1]. ЗАО «Концерн «Струйные технологии» [2] предложило для стенда сушки и подогрева ковшей горелку со схемой двойной закрутки потоков энергоносителей, которая обеспечивает улучшенное смешение топлива и окислителя. Авторы [3] с целью уменьшения потери теплопроводности через крышку и зазор между ней и горловиной использовали вместо металлической крышки футерованную. Только «Стальпроект» предложил новую конструкцию горизонтальных стендов высокотемпературного подогрева футеровки стальковшей [4]. Крышка ковша прилегает к его горловине, а дымовые газы удаляются с помощью дымососа. На дымопроводе установлен рекуператор, в котором подаваемый воздух предварительно нагревается до 400°C. Это позволяет повысить температуру горения топлива на 100-200°С.
Математическим моделированием процесса разогрева сталеразливочных ковшей занимался целый ряд авторов [5-9]. Однако ни одна из рассмотренных моделей не учитывает подсосы холодного воздуха через зазор. Только Волкова О. анализирует влияние коэффициента избытка воздуха на теоретическую температуру горения [7].
Цель статьи - оценить возможную экономию топлива за счет снижения подсосов воздуха в ковш в процессе нагрева и предложить методы решения данной проблемы.
Изложение основного материала. Для решения поставленной задачи была разработана математическая модель, описывающая тепловые потоки внутри ковша в процессе нагрева. Схематично модель представлена на рис. 1.
При составлении модели были сделаны следующие допущения:
- температура газовой фазы во всем пространстве ковша одинакова и равна
- воздух, подмешиваемый через зазор между крышкой и обечайкой ковша Аак, равномерно перемешивается с продуктами горения;
- при расчете теплообмена между продуктами горения и поверхностью кладки ковша учитывается только его лучистая составляющая, конвективный теплообмен не учитывается (данное допущение обосновывается тем, что температура газовой фазы довольно существенна, и поэтому лучистая составляющая теплообмена будет явно преобладать).
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
г+Лак+Ла
Рис. 1 - Схема теплового баланса газовой фазы внутри ковша
В основе математической модели лежит уравнение теплового баланса для газовой фазы внутри ковша
(1)
QP • Vт = £пр\Гг -Т4)• F + сг • хг • V, •
0 Р°г -«к ,
где Qр - низшая теплота сгорания топлива, МДж/м3; Vт - расход топлива, м3/ч; £пр -приведенная степень черноты между газом и кладкой; Тг - температура продуктов горения в рабочем пространстве ковша, К; Тк - температура на поверхности кладки, К; F - площадь футерованной поверхности ковша, включая крышку, м2; сг - удельная теплоемкость продуктов горения при температуре Дж/кг0С; V? - удельный расход продуктов горения при нормальных условиях, м3/м3 топлива; р°г - плотность продуктов горения при нормальных условиях ^ = 0°С, р = 101,3 кПа), кг/м3; ак - коэффициент избытка воздуха в ковше, ак = аг + Аак, где аг - коэффициент избытка воздуха, подаваемого на горелку, Аак - коэффициент избытка
воздуха, подмешиваемого в ковш.
Приведенная степень черноты определяется в соответствии с [10, с. 263] как
= 1
£пр = 1 1 ?
— +--1
£ £
г к
где £г - степень черноты газа при температуре £к - степень черноты кладки при тем-
пературе ^
£г £СО 2 + Р^£н 20 А£
где £со2 и £н20 - степени черноты СО2 и Н2О, определяемые по номограммам [10, с. 256], А£г - поправка, учитывающая взаимопоглощение излучений СО2 и Н2О в объеме. Отношение тепла, излучаемого на кладку, к подведенному теплу определяется как
ц =
£пр '^0
Т - Т4 )• F
QHP V
•100%
(2)
Коэффициент Г} характеризует долю полезно отданного тепла и может являться критерием для оценки эффективности нагрева.
Серiя: TexHÍ4HÍ науки ISSN 2225-6733
Уравнения (1) и (2), составляющие основы математической модели, решались совместно с помощью специально разработанной программы в среде Mathlab. Адаптация модели осуществлялась на основании данных режимных карт для данного типа стендов. График режима сушки и последующего нагрева сталеразливочных ковшей массой 350т после капитального ремонта представлен на рис. 2.
1200
1000
я 600 &
41 С
I 400
200 0
600
300
20
6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38 40 42 44
Длительность, ч
Рис. 2 - График режима сушки и последующего нагрева сталеразливочных ковшей массой 350т после капитального ремонта
Результаты расчетов для нескольких режимов представлены на рис. 3.
70,0 65,0 60,0 55,0
£
50,0 45,0 40,0 35,0 30,0 25,0
Vi = 40 MV i
-VI = 1 50 ч3/ч
Vi = J2U MV ч
0,85 0,95 1,05 1,15 1,25 1,35 1,45 1,55 1,65 1,75 1,85 Коэффициент расхода воздуха в ковше
Рис. 3 - Зависимость коэффициента г) от коэффициента расхода воздуха в ковше
Значение ) в рабочей точке для каждого режима будет отличаться от максимального на величину А). Значения А) для разных режимов:
- нагрев при УТ = 320 м3/ч А) = 1%;
- сушка при УТ = 150 м3/ч А) = 4,5%;
- сушка при УТ = 40 м3/ч А) = 11,5%.
Серiя: Техшчш науки ISSN 2225-6733
Среднее значение Л^ для полного цикла сушки и нагрева составит приблизительно Л^ = 3-5%.
Таким образом, контролируя подсосы холодного воздуха и поддерживая коэффициент расхода воздуха в ковше на уровне 1,05, можно получить экономию природного газа порядка 35%. Добиться этого можно путем регулирования разряжения в ковше на минимально необходимом уровне, достаточного для полного удаления продуктов сгорания.
Выводы
Разработанная модель позволяет оценить потери тепла, связанные с подсосами холодного воздуха через зазор между крышкой и обечайкой ковша. Минимизация подсосов воздуха позволит снизить расход топлива для подогрева сталеразливочного ковша на 3-5%. Для этого необходимо осуществлять регулирование разряжения в ковше на минимально необходимом уровне, достаточном для полного удаления продуктов сгорания.
Список использованных источников:
1. Автоматизированная система управления стендом вертикальной сушки ковшей / В. Пере-ходченко [и др.] // Современные технологии автоматизации. - 2006. - № 3. - С. 32-36.
2. Опыт работы установки для сушки и нагрева сталеразливочных ковшей / В.А. Спирин [и др.] // Сталь. - 2000. - № 11. - С. 50-51.
3. Разработка и внедрение футерованной крышки для стендов сушки и разогрева сталеразли-вочных ковшей и новых режимов их тепловой обработки / А.С. Безчерев [и др.] // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической информации. - 2009. - № 5. - C. 62-66.
4. Современные установки для сушки и высокотемпературного нагрева ковшей / Б.С. Чайкин [и др.] // Электрометаллургия. - 2006. - № 4. - С. 37-42.
5. Семахин В.В. Оптимизация сушки и высокотемпературного нагрева футеровки сталеразли-вочных ковшей / В.В. Семахин, Л.Е. Вяльшина // Металлург. - 2004. - № 6. - C. 58-59.
6. Бейцун С.В. Исследование на компьютерной модели разогрева сталеразливочных ковшей / С.В. Бейцун, Н.В. Михайловский, В.Ю. Мурдий // Вюник Приазовського державного техш-чного ушверситету. - 2015. - Вип. 30. - Т. 1. - C. 106-111. - (Серiя: Техшчш науки).
7. Ladle Heating Procedure and Its Influence on the MgO-C-Oxidation / O. Volkova [et al.] // Materials and Manufacturing Processes. - 2008. - Vol. 23. - Iss. 8. - Pp. 758-763.
8. Glaser B. Thermal Modelling of the Ladle Preheating Process / B. Glaser, M. Gornerup, D. Si-chen // Steel research. - 2011. - № 12. - Pp. 1425-1434.
9. Development and commercial introduction of a pulse regime for heating stands used to dry and heat steelpouringladles / A.V. Sushchenko, O.V. Nosochenko, M.L. Khaznaferov, I.I. Taushan, A.I. Travinchev // Metallurgist. - 2002. - T. 46. - № 9-10. - С. 271-275.
10. Теоретические основы / В.А. Кривандин [и др.]. - М. : Металлургия, 1986. - 422 с. - (Металлургическая теплотехника : учебник для вузов : в 2-х т.; Т. 1).
References:
1. Perehodchenko V., Rebedak A., Garkavenko S., Shevchenko O., Levina L., Borisov A., Hmol'jan-inova N., Kolesnichenko D. Avtomatizirovannaya sistema upravleniya stendom vertikal'noy su-shki kovshei [Automated control system for the ladle preheating vertical stand]. Sovremennyye tekhnologii avtomatizacii - Modern automated technologies, 2006, no.3, pp. 32-36. (Rus.)
2. Spirin V.A., Chernavin S.B., Aleksandrov V.B., Chistjakov V.V., Kulakov V.V. Opyt ustanovki dlya sushki i nagreva staleplavil'nykh kovshey [The experience of the plant for drying and heating the steel pouring ladles]. StaV - Steel, 2000, no.11, pp. 50-51. (Rus.)
3. Bezcherev A.S., Gorlach N.I., Popov Ju.N., Starikovskij N.L., Berdnik V.P., Harin A.K. Raz-rabotka i vnedreniye futerovannoi kryshki dlya stendov dlya sushki i nagreva staleplavil'nykh kovshey i novykh rezhimov ikh termoobrabotki [Development and introduction of a lined cover for stands for drying and heating of steel pouring ladles and new modes of their heat treatment]. Chernaia metallurgiia - Ferrous metallurgy, 2009, no.5, pp. 62-66. (Rus.)
4. Chajkin B.S., Map'janchik G.E., Panov E.M., Shaposhnikov P.T., Vladimipov V.A., Volovik I.S., Makapevich B.A. Sovremennyye ustanovki dlya sushki i vysokotemperaturnogo nagreva kovshei [Modern installations for ladle drying and high-temperature heating]. Elektrometallurgiia - Elec-
Серiя: Технiчнi науки ISSN 2225-6733
trometallurgy, 2006, no.4, pp. 37-42. (Rus.)
5. Semahin V.V., Vjal'shina L.E. Optimizatsiya sushki i vysokotemperaturnogo nagreva futerovki kovshei [Optimization of drying and high temperature heating of ladle lining]. Metallurg - Metallurgist, 2004, no.6, pp. 58-59. (Rus.)
6. Beicun S.V., Michalovsiy N.V., Murdij V.Ju. Issledovaniye na komp'yuternoy modeli dlya nagreva kovshei [Research on a computer model for heating ladles]. Visnik Priazovs 'kogo derzhav-nogo tehnichnogo universitetu. Seriya: Tehnichni nauki - Reporter of the Priazovskyi State Technical University. Section: Technical sciences., 2015, iss. 30, no.1, pp. 106-111. (Rus.)
7. Volkova O., Sahebkar B., Hubalkova J., Aneziris C.G., Scheller P.R. Ladle Heating Procedure and Its Influence on the MgO-C-Oxidation. Materials and Manufacturing Processes, 2008, vol. 23, iss. 8, pp. 758-763.
8. Glaser B., Gornerup M., Sichen D. Thermal Modelling of the Ladle Preheating Process. Steel research, 2011, no.12, pp. 1425-1434.
9. Sushchenko A.V., Nosochenko O.V., Khaznaferov M.L., Taushan I.I., Travinchev A.I. Development and commercial introduction of a pulse regime for heating stands used to dry and heat steel-pouringladles. Metallurgist, 2002, vol. 46, no.9-10, pp. 271-275.
10. Krivandin V.A. Metallurgicheskaya teplotekhnika [Metallurgical heat-engineering]. Moscow, Me-tallurgiya Publ., 1986. 424 p. (Rus.)
Рецензент: В.А. Маслов
д-р техн. наук, проф., ГВУЗ «ПГТУ»
Статья поступила 15.08.2017
УДК 629.128:621.359.7
© Фшшщук О.М.*
ВИЗНАЧЕННЯ ДОПУСТИМОГО СОЛЕВМ1СТУ ВОДОМАЗУТНИХ
ЕМУЛЬСШ
Представлено анал1з статистичних даних 7 результат1в експериментальних до-сл1джень швидкостей високотемпературног корозп сталей (ВТК) 1Х18Н10Т 7 ста-л1 20 в елементах суднових енергетичних установок при спалюванм з надлишком пов1тря а = 1,5 й 3,0 водомазутних емульай (ВМЕ) з водовм1стом Жг = 30% 7з со-левм1стом у д1апазот 16,9... 490 мг/л. На тдстав1 побудованих номограм надаеть-ся можлив1сть вибору необх1дного солевм1сту ВМЕ для забезпечення допустимого р1вня Штенсивност1 ВТК при р1зних температурах металу ст1нки поверхм нагр1-вання 7 надлишках пов1тря р1зних марок стал1.
Ключовi слова: високотемпературна короз1я, водопров1дна вода, дистилят, мазут, водомазутна емульс1я, солевм1ст.
Филипщук А.Н. Определение допустимого солесодержания водомазутных эмульсий. Представлен анализ статистических данных и результатов экспериментальных исследований скоростей высокотемпературной коррозии (ВТК) сталей 1Х18Н10Т и стали 20 в элементах судовых энергетических установок при сжигании с избытком воздуха а = 1,5 и 3,0 водомазутных эмульсий (ВМЭ) с водосо-держанием Жг = 30% с солесодержанием в диапазоне 16,9.490 мг/л. На основании построенных номограмм предоставляется возможность выбора необходимого солесодержания ВМЭ для обеспечения допустимого уровня интенсивности ВТК при различных температурах металла стенки поверхности нагрева и избытках воздуха разных марок стали.
ст. викладач, Херсонська фжя Нащонального утверситету кораблебудування iM. adMipcrna Макарова, м. Херсон, filipschuk5@gmail. com.
