CC BY
25
УДК 536.24(075.8)
Н. Н. Синицын
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОГРЕВА ТЕЛ, СОДЕРЖАЩИХ ЛЕД, В УСТРОЙСТВАХ ПОДОГРЕВА СКРАПА
N. N. Sinitsyn
INVESTIGATION OF HEATING OBJECTS CONTAINING ICE IN DEVICES FOR SCRAP HEATING
Разработана методика оценки времени таяния льда в телах цилиндрической и сферической форм, находящихся в неподвижном нагреваемой слое скрапа. Получены функциональные зависимости, позволяющие определить время прогрева тел цилиндрической формы, содержащей лед, и время прогрева пакета, прессованного из листовой обрези, содержащей лед.
Цилиндр, шар, пакет, лед, время, нагрев, фазовый переход.
The paper presents a method of estimating ice melting time in cylindrical and spherical objects in a heated motionless scrap layer. Functional relations are received which allow to determine the time for heating cylindrical objects containing ice and time for heating stacks of pressed sheet crop containing ice.
Cylinder, sphere, stack, ice, time, heating, phase transition.
Энергетические балансы обычных электродуговых печей показывают, что примерно 20 % введенной энергии содержится в потоке отходящих газов.
Фирма «ФУКС Системтехник» разработала способ почти полной повторной утилизации тепла с помощью шахтной печи с удерживающими пальцами. Шахта жестко соединена со сводом. Шахта и свод печи совместно открываются для завалки первой круглой корзины. Последующие корзины имеют многогранную геометрию, сходную с геометрией шахты. Завалка и подогрев производятся через шахту. Шахта печи имеет следующие размеры (рис. 1): высота - 7000 мм; ширина - 2500 мм; длина - 6340 мм; объем загрузочной корзины 90 м3.
Шахта оборудована водоохлаждаемыми пальцами для приема лома с целью его дальнейшего подогрева. Система состоит из 15 пальцев, установленных в нижней части шахты. Пальцы снабжены демпфирующими элементами, чтобы амортизировать толчки при завалке лома на закрытые пальцы. Все удерживающие пальцы раскрываются и закрываются через систему рычагов и совместный вал с помощью двух гидравлических цилиндров.
Весь скрап (137 т) загружается с помощью двух корзин. Тяжелые куски скрапа желательно грузить
в середину корзины, легкий скрап - сверху. Для нормальной работы шахтной печи длина кусков лома не должна превышать 1,5 м и вес - 400 кг. Эффективность подогрева скрапа ограничена переходом тепла от отходящих газов к скрапу. Очевидно, что крупногабаритные куски скрапа нагреваются медленнее, но легкий скрап нагревается очень быстро. Легкий скрап даже при коротком времени подогрева в шахте может расплавиться и спекаться с пальцами. Хорошие результаты работы шахтных печей достигались для смеси разных видов скрапа плотностью от 0,7 до 1,3 т/м3.
Рис. 1. Схема печи ФУКС: 1 - шахта; 2 - удерживающие пальцы; 3 - ванна; 4 - свод; 5 - кожух; 6 - отвод газов из шахты; 7 - электроды
Промежуток времени между подогревом и загрузкой первой подогретой корзины посредством размыкания удерживающих пальцев составляет приблизительно 18 мин (из них 11 мин составляют работу под напряжением).
Вышеприведенные данные по времени и расходу зависят, конечно, от качества лома. Если плотность первого слоя лома на удерживающих пальцах получается слишком маленькой, а время подогрева первой корзины вследствие непредусмотренных помех или простоев превышает 30 мин, то возникает опасность, что удерживающие пальцы спекутся с частично расплавленным ломом. В этом случае шахта переводится в нерабочее положение и удерживающие пальцы снизу обрызгиваются водой, чтобы охладить расплавленную фазу.
Лом на удерживающих пальцах подогревается приблизительно до температуры 700-800 °С. Воздух для сжигания СО вдувается в поток отходящих газов.
При расплавлении температура отходящих газов составляет 1200°С, 1600 °С - при рафинировании при входе в шахту. Суммарное количество отходящих газов, проходящих через шахту печи, составляет 72 629 нм3/ч.
Анализ процесса прогрева кусков скрапа следует начинать с анализа нагрева неподвижного слоя скрапа потоком газа для случая, когда начальная температура во всех точках слоя одинакова, а температура газа на входе в слой постоянна во времени.
Нагрев слоя проводим по методике [1].
Расчет по этой методике позволит получить условие однозначности для расчета прогрева одиночных кусков со льдом, расположенных в слое.
На рис. 2 представлено распределение температуры газа на выходе из слоя. Из рис. 2 видно, что в начале процесса температура газа имеет небольшое значение в течение практически 10 мин. Следовательно, интенсивность прогрева куска невелика.
На рис. 3 представлено изменение температуры газа во времени в слое на высоте 0,05 м. Из рис. 3 видно, что в течение 8 мин температура становится равной начальной температуре газа, хотя уровень температур, по сравнению с температурами на рис. 2, существенно выше.
1200
1000 800
и
600 400 200 0
180 360 540 720 900 1080 1260 Время, с
Рис. 2. Изменение температуры газа на выходе из слоя: 1 - при fr= 400 °С; 2 - при fr = 1200 °С; 3 - при fr=1600°C
2000
1500k3
и8 7
\ 1000£
500 0
0 180 360 540 720
Время, с
Рис. 3. Изменение температуры газа в слое высотой
h = 0,05 м во времени: 1 - при fT = 400 °С; 2 - при
fr= 1200°С; при /'г= 1600 °С
Зависимость безразмерного времени прогрева слоя от температуры газа на входе в слой имеет вид:
Z = -5,5 • 10"3 • fr + 18,3 (Оот=±2,49). (1)
Зависимость безразмерного времени прогрева слоя от безразмерной высоты слоя имеет вид:
Z= 1,61 7+5,69; (оОТн = ± 3,9 • 10 ~5). (2)
2
Коэффициент теплоотдачи ар, Вт/(м • К), в слое изменяется от 48,2 до 65,3 Вт/(м ■ К).
Куски скрапа, содержащие лед, могут попасть в любое место по высоте слоя (вниз слоя, вверх слоя, в середину слоя и т. д.).
Исследование прогрева кусков скрапа, содержащих лед и расположенных на входе газа в слой, представлены на рис. 4.
Отношение диаметров цилиндров dH/ dm имеет следующие значения: 18,1/15,2; 38/33; 45/40; 57/51; 76/70; 89/82; 108/100.
Ро
0,8
0,6 0,4
0,2
\
\
V
V
\
6
N
-
0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 В!
Рис. 4. Зависимость числа Ро от В1 при прогреве цилиндра со льдом, расположенного в начале слоя, А = = 0,05 м: 1 - = 400 °С; 2 - (т = 1200 °С; 3 -1600 "С
Прогрев осуществляется до момента исчезновения льда.
Расчетные данные можно аппроксимировать с точностью ± 19 % зависимостью:
?о = А-ев * , (3)
где
А =-1,1166 • 10"3 • 2,307; 5 = 2,25- 10"4 />2,15; С = 6,07 • 10"5 • Гт+ 0,628 (0,225 <В1 < 1,484).
Расчетные данные, полученные при прогреве цилиндра со льдом, расположенного на выходе из слоя, можно аппроксимировать с точностью ±21 % зависимостью:
Ро = А • е
В В|
(4)
где А = 4,45 • У- 10,445; В = - 0,11 • У- 2,046; С = = 0,64; У - относительная высота слоя (0 < У< < 10,59).
Зависимость числа Ро от В1 для пакета со льдом, расположенного на выходе из слоя, имеет вид (с точностью ± 13,2 %):
о - л в -вг Ро-А • е ,
(5)
где А = 0,777+ 0,452903; В = 0,19 У-3,996; С = -0,035 У + 0,8967; (0,0998 < В1 < 0,636).
Расчетные данные, полученные при прогреве пакета со льдом, расположенного на входе в слой,
можно аппроксимировать с точностью ± 5,5 % зависимостью:
Ро = - 0,259 • В1 + 0,621 при Сг= 400 °С (0,299 < <В1< 0,653);
Ро = -8,16 • 10"2 В1 + 0,325 при Гг = 1200 °С (0,291 < Вг < 0,636);
Ро=-0,11 -В1 +0,333 при Гг= 1600 °С (0,221 < <В1< 0,482).
Последние зависимости можно аппроксимировать с точностью ±3,91 % формулой:
Ро = - 8,5 • 10" ВI + 0,325.
(6)
За характерный размер в формулах принималась величина, вычисленная по формуле:
л м
(V)
где V-объем пакета, м3; Р^ - площадь поверхности пакета, м2; V - радиус, изменяющийся от 0,05 до 0,32727 м.
Расчетная зависимость коэффициента теплоотдачи в слое от начальной температуры газа представлена на рис. 5.
а7, Вт/(м2 • К)
70 60 50 40
30
200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 /'г> °С
Рис. 5. Зависимость коэффициента теплоотдачи в слое от начальной температуры газа
Взаимосвязь между безразмерными высотой и временем прогрева слоя и начальной температурой газа на входе в слой представлена на рис. 6.
Расчет по формулам (1)-(6) показывает, что поскольку время подогрева скрапа в шахте печи колеблется от 18 до 30 мин при нагреве скрапа до 700-800 °С, то попадание в скрап труб со льдом в исследуемом диапазоне параметров не вызовет аварийных ситуаций при заливке скрапа чугуном. Однако для пакетов, спрессованных из пластин и
содержащих лед, необходимо ограничивать характерный размер. При (т = 400 °С V < 0,15 м; при (т = 1200 °С V < 0,21 м; при Ит = 1600 °С Ь* <0,2 м. То есть при прогреве кусков до 18 мин не весь лед превращается в воду и при заливке скрапа чугуном может быть взрыв.
Z
10
/ 15
/ 14 /
/ 13 /
/ 1? / /
/ г 11 /
/ / 1(1 /
/ 9,5 /
160014001200 1000 800 600 400 200 0 1 2 3 4 5 6 У
Рис. 6. Взаимосвязь между безразмерными высотой и временем прогрева слоя и начальной температурой газа
Выводы:
1. На основании исследований прогрева одиночных цилиндра и спрессованного пакета разработана математическая модель их прогрева до мо-
мента полного таяния льда, содержащегося в них. Получены коэффициенты адекватности моделей и образца.
2. С использованием этих моделей проведено исследование прогрева тела цилиндрической формы и спрессованного пакета в форме эквивалентного шара.
3. Разработана методика оценки времени таяния льда в телах цилиндрической и сферической формы, находящихся в неподвижном нагреваемом слое скрапа.
4. Получены формульные зависимости, позволяющие определить время прогрева тел цилиндрической формы, содержащих лед.
5. Получены формульные зависимости, позволяющие определить время прогрева пакета, спрессованного из листовой обрези, содержащего лед.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Теплотехнические расчеты металлургических печей / Б. Ф. Зобнин, М. Д. Казяев, Б. И. Китаев, В. Г. Лисиенко, А. С. Телегин, Ю. Г. Ярошенко: учеб. пособие для студентов вузов. - 2-е изд. - М.: Металлургия, 1982. - 360 с.
Синицын Николай Николаевич - кандидат технических наук, доцент кафедры промышленной теплоэнергетики Инженерно-технического института Череповецкого государственного университета. Тел.: 8(8202)51-78-29.
Sinitsyn, Nikolay Nikolayevich - Candidate of Science (Technology), Associate Professor, Department of Industrial Thermal Engineering, Institute of Engineering and Technology, Cherepovets State University. Tel.: 8 (8202) 51-78-29.
УДК 621.746. 27
С. В. Лукин, А. В. Гофман, Н. Г. Баширов
ОХЛАЖДЕНИЕ СЛЯБА В МАШИНЕ НЕПРЕРЫВНОГО ЛИТЬЯ ЗАГОТОВОК ПРИ ДИНАМИЧЕСКИХ РЕЖИМАХ РАЗЛИВКИ
S. V. Lookin, А. V. Gofman, N. G. Bashirov
SLAB COOLING IN CONTINUOUS CASTING MACHINE AT DYNAMICAL MODES OF CASTING
Описан способ управления охлаждением сляба в МНЛЗ при динамических режимах разливки, позволяющий выдерживать рациональный температурный профиль поверхности слитка вдоль технологической оси при переменных параметрах разливки, таких, как скорость разливки, уровень мениска жидкого металла в кристаллизаторе и параметры жидкой стали, подаваемой в кристаллизатор.
