CC BY
30
/ТГГТГгГ^ г ГТГТГТГ/ТТГГГГТ /1Л1
-3 (56), 2010 I 141
The influence of productivity of quenching aggregates on their heating working and specific fuel consumption is examined at the example of heating furnaces of convection
type.
И. А. ТРУСОВА, С. В. КОРНЕЕВ, БНТУ
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ТЕПЛОВУЮ РАБОТУ ЗАКАЛОЧНО-ОТПУСКНЫХ АГРЕГАТОВ
УДК 669.04
Одним из важнейших показателей при организации рациональной тепловой работы нагревательных и термических печей является удельный расход условного топлива.
Для исследования влияния производительности закалочно-отпускных агрегатов на их тепловую работу и удельный расход топлива проанализированы особенности конструкций закалочных и отпускных печей агрегатов термообработки, установленных в ЦКПП ОАО «БЕЛКАРД».
В ЦКПП функционируют четыре закалочно-отпускных агрегата, при этом два агрегата находятся на реконструкции, два в работе (один из них
реконструирован путем замены каркаса, футеровки и горелочных устройств).
Характеристика печей приведена в табл. 1,2.
Для сравнения свойств футеровки в печах различных закалочно-отпускных агрегатов основные характеристики диатомитового кирпича и плит ШВП приведены в табл. 3, 4.
В качестве среднего слоя в реконструированном агрегате использована теплоизоляция Paroc UNS 37, представляющая собой эластичную, универсальную негорючую плиту из каменной ваты. Плотность теплоизоляции 27 кг/м3, теплопроводность в сухом состоянии ХА = 0,040 Вт/(мК);
Т а б л и ц а 1. Характеристика нагревательной печи закалочно-отпускного агрегата до реконструкции
Показатель Значение
минимальное максимальное
Производительность печи, т/ч - 1,4
Производительность печи фактическая, т/ч 0,6 0,8
Размеры внутреннего печного пространства ИхЕхЬ, м 0,8 х 1,29 х 6,3
Габаритные размеры по наружному кожуху ИхЕхЬ, м 2,85 х 2,336 х7,798
Размеры окна загрузки и выгрузки, м 0,35x1,3
Расположение дымоотбора Над загрузочным окном (плоский зонт)
Материал и толщины слоев футеровки стен и свода Кирпич ША, диатомит, толщина стен и свода 464 мм
Масса конвейерной ленты, кг 2000
Т а б л и ц а 2. Характеристика нагревательной печи закалочно-отпускного агрегата после реконструкции
Показатель Значения
минимальное максимальное
Производительность печи, т/ч - 1,4
Производительность печи фактическая, т/ч 0,9 1,2
Размеры внутреннего печного пространства ИхЕхЬ, м 0,59x1,29x7,35
Габаритные размеры по наружному кожуху ИхЕхЬ, м 2,695x1,88x9,528
Размеры окна загрузки и выгрузки, м 0,25x1,3
Материал и толщины слоев футеровки стен и свода ШВП-350, 100 мм, плиты UNS-37, 50 мм, маты прошивные, 60 мм
Масса конвейерной ленты, кг 2000
142/
г^г: г: гшшгггта
3 (56), 2010-
Т а б л и ц а 3. Основные теплофизические показатели диатомитового кирпича
Наименование Марка кирпича
350 400 500
Плотность, кг/м3 350 400 500
Теплопроводность, Вт/(м-К), не более, при температуре, °С: 25 300 0,084 0,122 0,10 0,145 0,105 0,160
Т а б л и ц а 4. Физико-химические и теплофизические показатели плит ШВП-350
Наименование показателя для ШВП-350 Значение
Химический состав, %, не менее
А12О3 50,0
SiO2 48,0
Плотность, кг/м3 350±50
Температура применения, °С 1200
Теплопроводность, Вт/(мК), не более, при
температуре, °С:
500 0,25
800 0,28
1000 0,31
1200 0,36
ХБ = 0,042 Вт/(мК); Хв (декларируемая) = 0,037 Вт/(мК).
В качестве наружного изоляционного слоя обследованных агрегатов используются прошивные маты (ГОСТ 21880-94) (табл. 5).
Т а б л и ц а 5. Характеристика минераловатных матов
Наименование продукции Температура применения, °С Толщина, мм Плотность, кг/м3 Теплопроводность X, Вт/(м-К) при г = 25 °С
Маты минерало-ватные М1-100 без обкладочного материала от -180 до + 700 60(80) Свыше 85 до 110 0,036
Конструкция футеровок закалочно-отпускных агрегатов представлена на рис. 1.
ч/\
214
11111 У'.'////,
464
Рис. 1. Конструкция футеровок закалочно-отпускных агрегатов: а - с применением волокнистых материалов; б -с традиционной футеровкой
Для оценки тепловых потерь при работе печи найдем количество теплоты, затрачиваемой на разогрев футеровки печи.
Разогрев футеровки прекращается, когда наступает стационарный режим тепловой работы печи. На рис. 2 показано температурное поле волокнистой футеровки в процессе ее разогрева. Нагрев волокнистой футеровки прекращается по истечении 12 ч.
Объем внутреннего слоя волокнистой футеровки составляет 1,4 м3, наружных слоев - 1,7 м3. Средняя температура внутреннего слоя - 940 °С, а наружных слоев - 470 °С. Плотность внутреннего слоя равна 350 кг/м3, средняя теплоемкость -1000 Дж/(кгК), плотность наружных слоев -(27 • 50 + 100 • 60)/110 = 67 кг/м3.
Потребляемая на разогрев теплота:
2 = тсАГ = 3501,4 • 1000 • (940 - 20) + 67 • 1,7 х 1000 • (470-20) = 502,055 МДж.
Средняя мощность за период разогрева: = 2/т = 502,055/(3600 • 12) = 11,6 кВт.
На рис. 3 показано температурное поле традиционной футеровки (шамотный и диатомитовые кирпичи) в процессе ее разогрева в течение 12 ч, а на рис. 4 - в течение 55 ч.
Объем внутреннего слоя традиционной футеровки (шамот) составляет 3,5 м3, наружного слоя (диатомит) - 4 м3. Средняя температура внутреннего слоя - 915 °С, а наружных слоев - 475 °С. Плотность внутреннего слоя равна 2300 кг/м3, средняя теплоемкость - 900 Дж/(кгК), плотность наружного слоя - 500 кг/м3, средняя теплоемкость 850 Дж/(кгК).
Тогда потребляемая на разогрев теплота:
2 = тсАГ = 23003,5 • 900 • (915 - 20) + 500 • 4 х 850 • (475 - 20) = 7257,775 МДж.
Рис.2. Температурное поле волокнистой футеровки (линии соответствуют моментам времени с интервалом в 200 с)
о1 1 ■ -'-:-:-:-:-:-
О 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 Толщина футеровки, м
Рис. 3. Температурное поле традиционной футеровки (линии соответствуют моментам времени с интервалом в 1000 с)
Средняя мощность за период разогрева:
Q1 = Q/t = 7257,775/(3600 • 55) = 36,66 кВт.
Очевидно, что средняя мощность за период разогрева для традиционной футеровки в 3 раза выше, чем при использовании волокнистой футеровки.
Помимо разогрева футеровки стен и свода печи энергия также теряется и на разогрев нижней камеры печи (под конвейерной лентой).
При эксплуатации закалочно-отпускных агрегатов предусмотрен трехсменный режим работы с отключением печей при длительных простоях. Согласно опытным данным, нагревательная печь на реконструированном агрегате остывает с 1000 до 400 °С за 6 ч. Поэтому при изменении производственной
Т а б л и ц а 6. Тепловой баланс нагревательной печи ЗО
лгттт^ г: гсттмгпта /1до
-3 (56), 2010/ I4U
0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5
Толщина футеровки, м
Рис. 4. Температурное поле традиционной футеровки (линии соответствуют моментам времени с интервалом в 3000 с)
программы и количества смен работы агрегатов необходимо учитывать их разогрев.
Для исследования влияния производительности на удельный расход топлива рассчитаны тепловые балансы при работе нагревательной печи после реконструкции и удельный расход топлива (природного газа) для случаев минимальной (0,9, 1,2 т/ч) и максимальной (1,4 т/ч) производительности агрегата. Результаты расчетов приведены в табл. 6-8.
Сравнительный анализ результатов расчета свидетельствует о том, что влияние производительности довольно существенное и составляет по расходу топлива относительно производительности, равной 1,2 т/ч (с данной производительностью агрегат работает самое продолжительное время):
№ 5 при текущем состоянии печи (¿в = 50 °С, Р = 1,2 т/ч)
Статья Приход, Вт % Статья Расход, Вт %
От сжигания топлива Qт 546058,2 97,1 Нагрев металла Qм 192030,9 34,2
С подогретым воздухом Qв 11057,7 2,0 Нагрев конвейерной ленты Qлент 64236,6 11,4
Экзотермические реакции Qэкз 5018,0 0,9 С уходящими газами Qvх г 234142,0 41,7
Потери теплопроводностью Qст 41358,6 7,4
Потери излучением Qизл 30365,9 5,4
Итого 562133,9 100 Итого 562133,9 100
Расход природного газа составил Е = 0,0156 м3/с = 56,2 м3/ч = 46,8 м3/т.
Т а б л и ц а 7. Тепловой баланс нагревательной печи (^в = 50 °С, Р = 0,9 т/ч, Кзап = 1,5)
Статья Приход, Вт % Статья Расход, Вт %
От сжигания топлива Qт 439824,9 97,2 Нагрев металла Qм 144023,2 31,8
С подогретым воздухом Qв 8906,5 2,0 Нагрев конвейерной ленты Qлент 48177,4 10,6
Экзотермические реакции Qэкз 3784,4 0,8 С уходящими газами Qvх г 188590,6 41,7
Потери теплопроводностью Qст 41358,6 9,1
Потери излучением Qизл 30365,9 6,7
Итого 452515,7 100 Итого 452515,7 100
Расход природного газа составил B = 0,0126 м3/с = 45,2 м3/ч = 50,27 м3/т.
1Л ЛМ ггттгп г: гштгмгггта
1ЧЧI 3 (56), 2010-
Т а б л и ц а 8. Тепловой баланс нагревательной печи (¿в = 50 °С, Р = 1,4 т/ч, Кзап = 0,5)
Статья Приход, Вт % Статья Расход, Вт %
От сжигания топлива 2т 616802,0 97,1 Нагрев металла 2м 224036,0 35,3
С подогретым воздухом 2в 12490,2 2,0 Нагрев конвейерной ленты 2лент 74942,7 11,8
Экзотермические реакции 2экз 5886,8 0,9 С уходящими газами г 264475,9 41,6
Потери теплопроводностью 2ст 41358,6 6,5
Потери излучением 2изл 30365,9 4,8
Итого 635179,0 100 Итого 635179,1 100
Расход природного газа составил В = 0,0176 м3/с = 63,4 м3/ч = 45,32 м3/т.
для Р = 0,9 т/ч превышение расхода П = 50,27 -46,8 = 3,47 м3/т или П1 = 7,4 %;
для Р =1,4 т/ч экономия газа составит Э = 46,8 - 45,32 = 1,48 м3/т или Э1 = 3,2 %.
При повышении производительности за счет увеличения скорости движения конвейерной ленты при постоянном коэффициенте заполнения ленты (для приведенного случая Кзап = 0,5 означает, что площадь, занимаемая металлом на ленте, составляет 50 % всей площади ленты) несколько увеличивается теплота, теряемая при охлаждении конвейерной ленты при обратном ходе через нижнюю камеру печи.
В случае производительности 0,9 т/ч теплота, теряемая лентой, составляет 10,6% расходной статьи, а в случае производительности 1,4 т/ч - 11,8 %.
Повышение эффективности работы печей при увеличении производительности связана с тем, что в этом случае увеличивается доля теплоты, поглощенная металлом, так как теплота, теряемая через ограждающие конструкции, практически не изменяется.
Снижению потерь тепловой энергии на транспортные устройства и, в частности теряемых конвейерной лентой, может способствовать увели-
чение заполнения ленты деталями, а также расположение их в два или три слоя при условии небольших диаметров деталей и обеспечения равномерности прогрева.
В качестве основного варианта для расчетов принят коэффициент заполнения ленты деталями, равный Кзап = 0,5. Коэффициент заполнения ленты, равный единице, означает заполнение деталями всей площади ленты, а Кзап = 1,5 - то, что 1/3 часть от всего количества деталей располагаются вторым слоем.
В табл. 9, 10 приведены результаты расчета тепловых балансов для производительности агрегата, равной Р = 1,2 т/ч, при заполнении ленты для вариантов Кзап = 1,0 и 1,5.
Из таблиц видно, что доля теплоты, затраченной на нагрев конвейерной ленты в случае увеличения коэффициента заполнения, будет уменьшаться:
для Кзап = 0,5 2 лент = 11,4 %, 2м = 34,2 %; для Кзап = 1,0 2 лент = 6,3 %, 0М = 37,9 %; для Кзап = 1,5 2 лент = 4,4 %, 0М = 39,3 %. Уменьшение доли теплоты, затраченной на нагрев конвейерной ленты, отражается на увеличении
Т а б л и ц а 9. Тепловой баланс нагревательной печи (¿в = 50 °С, Р = 1,2 т/ч, Кзап = 1)
Статья Приход, Вт % Статья Расход, Вт %
От сжигания топлива 2т 491708,1 97,0 Нагрев металла 2м 192030,9 37,9
С подогретым воздухом 2в 9957,1 2,0 Нагрев конвейерной ленты 2лент 32118,3 6,3
Экзотермические реакции 2экз 5045,9 1,0 С уходящими газами г 210837,4 41,6
Потери теплопроводностью 2ст 41358,6 8,2
Потери излучением 2изл 30365,9 6,0
Итого 506711,1 100 Итого 506711,1 100
Статья Приход, Вт % Статья Расход, Вт %
От сжигания топлива 2т 473607,1 97,0 Нагрев металла 2м 192030,9 39,3
С подогретым воздухом 2в 9590,5 2,0 Нагрев конвейерной ленты 2лент 21412,2 4,4
Экзотермические реакции 2экз 5045,9 1,0 С уходящими газами г 203076,0 41,6
Потери теплопроводностью 2ст 41358,6 8,5
Потери излучением 2изл 30365,9 6,2
Итого 506711,1 100 Итого 506711,1 100
Расход природного газа составил В = 0,01405 м3/с = 50,6 м3/ч = 42,15 м3/т.
Т а б л и ц а 1 0. Тепловой баланс нагревательной печи (¿в = 50 °С, Р = 1,2 т/ч, Кзап = 1,5)
Расход природного газа составил В = 0,0135 м3/с = 48,7 м3/ч = 40,59 м3/т.
/7ГГТГ^ г: Г:гтГГГГгггГГГГ /1ЛЕ
-3 (56), 2010/ 1Чи
Т а б л и ц а 11. Тепловой баланс отпускной печи (¿в = 50 °С, Р = 1,2 т/ч, Кзап = 0,4)
Статья Приход, Вт % Статья Расход, Вт %
От сжигания топлива Qт 360060,5 97,8 Нагрев металла Qм 146847,1 39,9
С подогретым воздухом Qв 7291,2 2,0 Нагрев конвейерной ленты Qлент 38647,5 10,5
Экзотермические реакции Qэкз 764,5 0,2 С уходящими газами Qух г 115348,0 31,3
Потери теплопроводностью Qст 53364,3 14,5
Потери излучением Qизл 13909,3 3,8
Итого 368116,3 Итого 368116,3
Расход природного газа составил В = 0,01029 м3/с = 37,0 м3/ч = 30,86 м3/т.
доли теплоты, поглощенной металлом, и соответственно на коэффициенте полезного действия печи:
для Кзап = 1,0 Э = (46,8 - 42,15) = 4,65 м3/т или Э1 = 9,9 %;
для Кзап = 1,5 Э = (46,8 - 40,59) = 6,21 м3/т или Э1 = 13,3 %.
Для исследования влияния энерготехнологических параметров работы печи на ее эффективность были рассчитаны тепловые балансы отпускной печи, расположенной после закалочного бака закалочно-отпускного агрегата ЗОА № 5. Температурный режим отпускной печи отличается от нагревательной - температуры по зонам ниже и составляют 500 - 700 °С. Рекуператор данной печи также работает неэффективно, температуры подогрева в данном случае несколько выше, чем для нагревательной печи, но не превышают 100 °С. В дальнейших расчетах тепловых балансов также принята производительность Р = 1,2 т/ч и Кзап = 0,4. В табл. 11 приведены результаты расчета тепловых балансов отпускной печи при температуре воздуха, подаваемого на горение, равной 50 °С.
В результате обследования закалочно-отпуск-ных агрегатов было выявлено, что реконструированному агрегату также присущи определенные недостатки. Например, дымоотбор установлен
в нижней части печи, а дымоудаление из рабочего пространства осуществляется через зазоры между футеровкой и конвейерной лентой. При этом температура подогрева воздуха в рекуператоре незначительна и составляет около 50 °С. Причиной этого являются несколько обстоятельств: высокая мощность дымососа (при этом в дымовые газы подсасывается значительное количество воздуха из нижней камеры печи) и свободный проход воздуха в нижнюю камеру вследствие негерметичности камеры.
Несмотря на неэффективную работу установленного рекуператора, реконструкция нагревательной и отпускной печи ЗОА имела и положительные моменты, отразившиеся в повышении эффективности их работы. В частности, была реконструирована футеровка печи, вследствие чего уменьшились тепловые потери через стены печи.
Вместе с тем, имеются резервы экономии топлива за счет подогрева воздуха, подаваемого на горение.
Таким образом, проведенные исследования свидетельствуют о том, что обеспечение рациональных графиков и режимов работы закалочно-отпускных агрегатов способствует экономии топливно-энергетических ресурсов в объеме до 10-15%.
