CC BY
43
___ ПРОМЫШЛЕННАЯ _____
ТЕПЛОЭНЕРГЕТИКА
УДК 669.162.266
3. К. Кабаков, Д. В. Чудинов
ИНЖЕНЕРНАЯ ОЦЕНКА СНИЖЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ЧУГУНА ПРИ ТРАНСПОРТИРОВКЕ В МИКСЕРЕ
Z. К. Kabakov, D. V. Chudinov
ENGINEERING ESTIMATION OF CAST-IRON TEMPERATURE DECLINE WHILE TRANSPORTING IT IN A MIXER
Представлена методика расчета охлаждения чугуна в миксере при его транспортировке. Чугун, миксер, охлаждение, методика, расчет.
The paper presents a method of calculating cast-iron cooling while transporting it in a mixer. Cast-iron, mixer, cooling, method, calculation.
В настоящее время для доставки чугуна от доменного цеха к сталеплавильным печам используются чугуновозные миксеры, которые перевозят по железнодорожным путям. Схема чугуновозного миксера вместимостью 600 т представлена на рис. 1.
1 - чугун; 2 - футеровка; 3 - сливное отверстие
Внутри миксер футеруется тремя слоями огнеупорного кирпича: 1-й слой - шамотный кирпич; 2-й - шамотный кирпич; 3-й - каолиновый кирпич. Схема футеровки стен миксера представлена на рис. 2.
При транспортировке жидкого чугуна из доменного цеха можно выделить следующие этапы его доставки к сталеплавильным цехам [1]:
1) наполнение чугуновозного миксера в процессе выпуска чугуна из доменной печи. Продолжительность наполнения составляет 40-180 мин.
2) транспортировка чугуна в сталеплавильный цех. Время транспортировки составляет 20-30 мин;
3) слив чугуна в сталеплавильном цехе. Время слива составляет 15-30 мин.
Представляет практический интерес оценить снижение температуры чугуна в миксере на указанных этапах.
з
Рис. 2. Схема футеровки стен миксера: 1 - чугун;
2 - шамотный кирпич; 3 - каолиновый кирпич
В данной работе выполнена оценка снижения температуры чугуна на второй стадии - транспортировке, для которой можно построить наиболее простую модель.
На данной стадии процесс охлаждения в миксере происходит за счет потерь тепла через футеровку, излучением и за счет свободной конвекции воздуха через сливное отверстие. Схема охлажде-
ния жидкого чугуна в миксере представлена на рис. 3.
Рис. 3. Охлаждение жидкого чугуна в миксере: Т -температура чугуна; Тср - температура среды; Тк -температура кожуха; - тепловой поток через футеровку; Ок - конвективный тепловой поток; <2„ -лучистый тепловой поток
При построении математической модели охлаждения чугуна используем следующие допущения:
1) чугун охлаждается в миксере как термически тонкое тело;
2) футеровка миксера по всей площади поверхности одинакова;
3) кожух миксера является термически тонким телом.
С учетом допущений запишем баланс тепла:
йТ
0)
где М - масса жидкого чугуна; с - теплоемкость жидкого чугуна; Т - температура чугуна; / - текущее время; £)ф - суммарный поток через футеровку; ()л - лучистый тепловой поток через заливочное отверстие; £>к - конвективный тепловой поток через заливочное отверстие.
Суммарный поток £>ф складывается из следующих величин:
0$ ~ + 0$к + Офт >
где <2фЦ - тепловой поток от цилиндрической части поверхности миксера; £?фК - тепловой поток через конические части поверхности миксера; <2фт~ тепловой поток через торцевые части поверхности миксера.
Значение определяется по формуле для составной цилиндрической стенки [2]:
бфц - " А»
где /| - длина цилиндрической части миксера; QDí - тепловой поток через единицу длины цилиндрической части:
-"■-'•у Ш'
где ф, - коэффициент кривизны /-го слоя;
Ф, =--1п-; ь„ д./, а, - толщина
(рис. 2), коэффициент теплопроводности, средний диаметр г'-го слоя футеровки; 4 + ь наружный и внутренний диаметры /-го слоя футеровки. Значение £?фк определяется по формуле
е^к =(&),+&), И3.
где /3 - длина образующей конусной части миксера.
Значение <2фг определяется по формуле
0фг=ат-25т-(Т-Тк),
где ат - коэффициент теплопередачи через со-
I;
4' = '^'/
ставную плоскую стенку [2], ат = 1
Бт=п-И22 - площадь торцевой части миксера; =£»2/2.
Значение Qл определяется по формуле
Qя =сто-£-(г4_;Гср)-5отв'
где е - степень черноты жидкого чугуна; оо - коэффициент излучения абсолютно черного тела;
50ТВ = 71 • /?з - площадь сливного отверстия;
Значение }к определяется по формуле £}к=ак'(Т~ V 50ХВ, где ак =3,0-^(Г-Гср) - коэффициент теплоот-
дачи при свободной конвекции от поверхности кожуха миксера; 3,0 - эмпирический коэффициент.
Исходные данные к оценке динамики охлаждения миксера представлены в табл. 1.
(т2+т2ср)(.
Т + Тс р);
an=Q„/(T-Tcp)-S(
<хк = QK/(T- Гср) • 50тв = 3,0■ 4/(Г-Гср) .
Таблица 1
Величина
Наименование Единица СИ Обозначение Значение
Толщина первого слоя шамотного кирпича м и 0,46
Толщина второго слоя шамотного кирпича м h 0,15
Толщина третьего слоя каолинового кирпича м ¿3 0,04
Теплопроводность шамота Вт/(м • К) 1,8
Теплопроводность каолина Вт/(м ■ К) 0,37
Масса жидкого чугуна кг m 600 000
Температура жидкого чугуна в миксере в начальный момент времени °С Т 1500
Теплоемкость жидкого чугуна Дж/(кг • К) с 860
Температура поверхности кожуха °С Т 1 пов 127
Температура окружающей среды °С т 1 ср 20
Длина цилиндрической части внутреннего объема миксера м /. 3,3
Общая длина внутреннего объема миксера м к 7,46
Длина конической части внутреннего объема миксера м /з 2,4
Диаметр цилиндрической части внутреннего объема миксера м А 3,1
Диаметр торца внутреннего объема миксера м А 0,92
Диаметр сливного отверстия м А 1,7
Разделяя переменные и принимая, что а£~ const, проинтегрируем уравнение (2), получим:
Г = Гср+(Г0-7ср)х
х-ехр
Cty
М-с
(3)
Исходные данные к оценке динамики охлаждения миксера
Представим уравнение (1) в виде с1Т
-М-с-— = а1-(Г-Гср)-50ТВ,
(2)
где
ау =аА +а„ +а„
аф = =
7i-h(T-TK) /3 v<pf ^отв / / = 1 ' 4
+ Из ' St + 2а • (Г - ГК)-5Т
^отв -СГ-Т-ср)
(Г-Гср)
Оценим по формуле (3) температуру чугуна при транспортировке в течение 20 мин. При оценке используем исходные данные, приведенные в табл. 1. Расчет температуры по формуле (3) для заданного момента времени выполнен итерационным путем. На каждой итерации определяем температуру и уточняем значение а£. Итерационный процесс заканчивается, как правило, на 3-4-й итерации с учетом заданной погрешности определения температуры ± 0,01 °С. Результаты данной оценки приведены в табл. 2. Снижение температуры чугуна при транспортировке составило 3,7 °С. Известно, что температура чугуна при заливке в миксер составляет примерно 1500 °С, а температура чугуна при сливе из миксера - 1428 °С. Таким образом, общее снижение температуры в миксере составляет примерно 72 °С. Сравнивая приведенные изменения температуры, можно сделать вывод, что основные потери тепла чугуна происходят не при транспортировке, а при запивке в миксер и сливе из него.
Таким образом, на основе разработанной инженерной математической модели выполнена оценка охлаждения чугуна в миксере на стадии транспортировки. Установлено, что основное снижение температуры происходит не на стадии транспортировки, а при заполнении миксера и сливе чугуна из него. Следует продолжить работу по созданию модели, общей для всех стадий.
Таблица 2
Результаты расчета параметров охлаждения миксера вместимостью 600 т
Величина
Наименование Единица СИ Обозначение Значение
Общий поток через футеровку Вт Оф 386 905
Лучистый тепловой поток из заливочного отверстия Вт бл 1 277 649
Конвективный тепловой поток из заливочного отверстия Вт бк 62 488
Суммарный тепловой поток Вт & 1 727042
Площадь сливного отверстия м2 2,27
Площадь цилиндрической части миксера м2 41,2
Площадь торцевых частей миксера м2 ST 2,66
Площадь конусных частей миксера м2 SK 20,63
Суммарная площадь миксера м2 Ss 67,15
Коэффициент теплопередачи через футеровку миксера Вт/(м2 ■ К) аф 115,2
Коэффициент теплоотдачи излучением из заливного отверстия Вт/(м2 • К) ал 380
Коэффициент теплоотдачи при свободной конвекции воздуха у заливного отверстия Вт/(м2 ■ К) ак 18,6
Суммарный коэффициент теплоотдачи Вт/(м2 • К) о-х 514,1
Температура жидкого чугуна в миксере в начальный момент времени °С Т 1500
Температура чугуна через 20 мин °С тк 1496,3
Снижение температуры чугуна при транспортировке в течение 20 мин °с AT 3,7
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 2. Основы теплопередачи / М. А. Михеев, И. М. Михе-
ева. - М.: Техника, 1977. — 344 с.
1. Доменное производство: справ. / под ред. Е. Ф. Вег-мана. - М.: Металлургия, 1989. - 496 с.
Кабаков Зотей Константинович - доктор технических наук, профессор кафедры металлургических технологий Череповецкого государственного университета, академик РАЕ. Тел.: 8 (8202) 51-82-32.
Чудинов Денис Валерьевич - аспирант кафедры металлургических технологий Череповецкого государственного университета.
Тел.: 8-921-717-22-27.
Kabakov, Zotey Konstantinovich - Doctor of Science(Technology), Professor, Department of Metallurgical Technologies, Cherepovets State University; Academician, Russian Academy of Natural Science. Tel.: 8 (8202) 51-82-32.
Chudinov, Denis Valerevich - Postgraduate student, Department of Metallurgical Technologies, Cherepovets State University. Tel.: 8-921-717-22-27.
