CC BY
94
Вестник Сибирского государственного индустриального университета № 2 (28), 2019 УДК 669.046:536.7
Е.М. Запольская, М.В. Темлянцев, А.В. Григорьев Сибирский государственный индустриальный университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕЖИМОВ НА ПАРАМЕТРЫ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ СТЕНДОВ РАЗОГРЕВА ФУТЕРОВОК СТАЛЕРАЗЛИВОЧНЫХ КОВШЕЙ
Разогрев футеровок сталеразливочных ковшей перед приемом расплава стали является важной технологической операцией. Высокотемпературный нагрев футеровок до 1100 - 1200 °С обеспечивает снижение скорости охлаждения расплава стали и термических напряжений в футеровке, вызванных резким ее нагревом от жидкого металла, способствует повышению стойкости и срока службы кладки. По данным работы [1] повышение температуры разогрева футеровки с 900 до 1200 °С приводит к снижению расхода электроэнергии на установке ковш-печь на 10 % и к увеличению стойкости футеровки на 3 - 5 %. Результаты исследований, проведенных авторами работы [2], показывают, что для ковшей емкостью 30 т повышение температуры футеровки на каждые 100 °С позволяет снизить температуру выпуска металла из дуговой сталеплавильной печи на 11 °С, что соответствует экономии 4 кВтч электроэнергии на 1 т жидкой стали.
Отапливаемые газом стенды высокотемпературного разогрева футеровок ковшей различных конструкций характеризуются различными параметрами тепловой эффективности [3 - 8]. Актуальной является научно-практическая задача повышения энерготехнологической и тепловой эффективности стендов. Эта задача представляет определенный интерес с точки зрения экономии энергетических ресурсов и снижения затрат на производство стали.
Температурные режимы разогрева футеровок имеют ряд ограничений на различные параметры, вызванные теплофизическими и физико-химическими свойствами разогреваемого материала, конструктивными особенностями стенда, тепловой мощностью горелочного устройства. В частности, максимальная скорость разогрева футеровки, как правило, лимитирована допустимыми скоростями разогрева огнеупора из условий отсутствия трещинообразования от температурных или фазовых напряжений и тепловой мощностью стенда. Низкая скорость разогрева увеличивает его продолжительность, снижает производительность технологической операции, приводит к увеличению парка ковшей. Для углеродсо-
держащих огнеупоров рабочего слоя, получивших широкое распространение в сталеплавильном производстве, низкая скорость нагрева и более высокая его продолжительность приводят к росту времени нахождения поверхности футеровки при температурах более 600 - 700 °С, а, соответственно, к росту глубины обезуглероженного слоя и повышенному износу огнеупоров [9 - 14].
В настоящей работе проведены исследование влияния температурного режима разогрева футеровки на тепловую эффективность стенда и изучение динамики показателей теплового состояния ковша в процессе разогрева. Для исследований использована математическая модель [15, 16]. В качестве исходных данных принимали конструкцию футеровки, соответствующую сталеразливочным ковшам емкостью (Е) 90, 350 и 480 т [17]. Рабочий слой выполнен из алюмопери-клазоуглеродистого огнеупора [13]. Химический состав природного газа, используемого для отопления стенда, следующий: 91,50 % СН4; 3,07 % С2Н6; 1,73 % СзН 0,9 % С4Н10; 2,34 % N2; 0,45 % СО2; 0,01 % О2. В рассматриваемой конструкции стенда имеется зазор 250 мм между крышкой и ковшом. Подогрев воздуха отсутствует. При проведении многовариантных расчетов принимали режим разогрева с постоянной скоростью (0) 30, 40, 50, 60, 80, 100, 150 и 200 °С/ч (температура среды изменялась по линейному закону) и продолжительностью (т) разогрева 40, 30, 24, 20, 15, 12, 8 и 6 ч. Конечная температура нагрева поверхности футеровки составляла 1200 °С.
В таблице и на рис. 1 и 2 представлены результаты исследований (где tср, ¿р-а, ¿кож - температуры греющей среды, на стыке рабочего и арматурного слоев, кожуха ковша; Q - объем природного газа, затраченного на разогрев; Втах -максимальный расход топлива за период разогрева; Вуд - удельный расход условного топлива на тонну стали [17]; КПД - тепловой коэффициент полезного действия стенда; дакк, и ^^ -тепло, аккумулированное кладкой, уходящее с дымом и теряемое теплопроводностью через футеровку в окружающую среду.
П оказатели тепловой работы стендов при различных режимах разогрева < )утеровок
Е, т 0, °С/ч X, ч ^ср, °С ^р-а, °С ^кож, °С в, м3 73 Вшах, м3/ч 73 Вуд, кг у.т/' КПД, % % Ча, % qtep, %
90 30 40 1239 1110 341 3655 207 51,8 29,4 28,9 40,5 11,0
90 40 30 1245 1088 326 3111 226 44,1 33,7 33,2 40,9 8,4
90 50 24 1257 1066 309 2799 247 39,6 36,7 36,1 41,4 6,5
90 60 20 1268 1038 290 2564 267 36,3 38,9 38,3 41,9 5,1
90 80 15 1290 991 256 2299 312 32,6 41,3 40,7 43,3 3,3
90 100 12 1310 971 224 2132 362 30,2 42,3 41,8 44,4 2,2
90 150 8 1355 851 163 1905 496 27,0 42,5 42,0 47,4 1,0
90 200 6 1394 776 123 1776 634 25,2 41,6 41,2 49,8 0,5
350 30 40 1234 1071 201 7546 354 27,5 41,4 40,6 39,0 5,2
350 40 30 1245 1030 180 6726 409 24,5 44,6 43,7 39,5 3,3
350 50 24 1257 995 161 6274 470 22,9 46,1 45,3 40,3 2,3
350 60 20 1268 960 142 5937 532 21,6 46,9 46,1 41,1 1,5
350 80 15 1290 896 111 5474 652 19,9 47,3 46,6 42,6 0,8
350 100 12 1310 838 87 5140 782 18,7 47,1 46,5 43,8 0,4
350 150 8 1355 724 53 4604 1102 16,8 45,8 45,3 46,5 0,1
350 200 6 1394 639 38 4277 1427 15,6 44,3 43,9 48,7 0
480 30 40 1240 1018 180 10270 461 27,3 44,6 43,8 39,1 3,9
480 40 30 1255 969 157 9364 541 24,9 46,6 45,8 40,1 2,4
480 50 24 1263 918 134 8639 636 22,9 47,7 47 40,8 1,5
480 60 20 1276 875 114 8185 728 21,7 48,0 47,4 41,6 1,0
480 80 15 1300 799 85 7529 899 20,0 47,9 47,3 43,2 0,5
480 100 12 1310 734 65 7027 1074 18,7 47,4 46,9 44,4 0,2
480 150 8 1362 608 39 6193 1488 16,4 46,0 45,5 46,9 0,1
480 200 6 1397 519 29 5690 1889 15,1 44,5 44,1 48,9 0
Анализ полученных результатов показывает наличие характерной зависимости КПД от скорости разогрева: зависимость имеет экстремальный характер, причем для ковшей различной емкости экстремум имеет различное значение. При увеличении скорости разогрева от 30 до 80 - 150 °С/ч (в зависимости от емкости ковша) (рис. 1) наблюдается рост КПД, далее, при более высоких скоростях разогрева КПД снижается.
Такая зависимость КПД от скорости разогрева объясняется особенностями процессов внешнего и внутреннего теплообмена. При медленном и продолжительном разогреве температура среды значительно ниже, чем при скоростном форсированном. В частности, при разогреве со скоростью 30 °С/ч
52 48 44
Ж
§40
36 32 28
0 50 100 150
Скорость разогрева, °С/ч
200
50 ' 45
40 35 30
л
о а
^е -»с £ 25
§ 50 а
0
1
е о к
к «
«о
о
5
¡к
454035 50
45 40-
о
ч
к 35 35
0 50 100 150 Скорость разогрева, °С/ч
200
Рис. 1. Зависимость КПД стенда от скорости разогрева при емкости ковша 90 т (А), 350 т (□) и 480 т (о)
Рис. 2. Зависимости количества тепла, аккумулированного футеровкой (-), и потерь тепла с дымом (---) от скорости разогрева футеровки для ковшей емкостью 90 т (а), 350 т (б) и 480 т (в)
г, °С
Р, м /ч
Q/10, м3 1250
1000 750 500 250
0
5
10
Рис. 3. Температурный режим разогрева ковша: 1 - 4 - температуры греющей среды (Гср), поверхности рабочего слоя, на стыке рабочего и арматурного слоев (Гр.а) и кожуха (Гкож) соответственно; 5 - расход Р природного газа, м3/ч; 6 - Q, м3
в течении 40 ч температура среды не превышает 1240 °С, а при скорости 200 °С/ч и времени всего 6 ч для достижения необходимой температуры поверхности футеровки необходимо иметь в конце разогрева температуру среды 1397 °С. Увеличение скорости разогрева приводит к ухудшению прогрева кладки и к меньшим значениям температур кожуха, а соответственно, к потерям тепла теплопроводностью в окружающую среду. Увеличение температуры греющей среды приводит к монотонному росту потерь тепла с уходящим дымом (рис. 2). Таким образом, увеличение количества аккумулированного кладкой тепла сопровождается ростом потерь тепла через футеровку. Соответственно, взаимное влияние этих статей теплового баланса предопределяет установленный характер влияния скорости разогрева на КПД стенда.
Рассмотренные параметры разогрева исследованы теоретически. На практике имеется целый ряд ограничений (в таблице возможные значения параметров выделены жирным шрифтом). Например, по условиям отсутствия трещинообразования скорость разогрева алюмопериклазоуглеродистых огнеупоров не должна превышать 60 - 100 °С/ч; при первом разогреве футеровки температура на стыке рабочего и арматурного слоев должна составлять не менее 800 °С, температура кожуха не менее 100 °С и не более 400 °С; расходы топлива горе-лочных устройств стендов обычно не превышают 500 м3/ч [6].
На рис. 3 представлен температурный режим разогрева футеровки ковша емкостью 350 т с постоянной скоростью 50 °С/ч.
На рис. 4 и 5 представлена динамика расхода тепла при реализации температурного режима, представленного на рис. 3.
80
70
¿4 60
50
£ 40
£ 30
4 20
10
0
----
-
- 2
3___
6 ==--/
5
10
15 20 Время, ч
15 20 Время, ч
Рис. 4. Динамика расхода тепла: 1 - коэффициент полезного действия; 2 - тепло, аккумулированное футеровкой; 3 - потери тепла с уходящими продуктами сгорания; 4 - неучтенные потери; 5 - потери тепла излучением через технологиче-ские отверстия и зазоры;
6 - потери тепла теплопроводностью через кладку
Анализ полученных результатов (рис. 3 - 5) показывает, что коэффициент полезного действия стенда в процессе разогрева фактически монотонно снижается с 72 до 46 %. Основное влияние на КПД оказывают две расходные статьи: тепло, аккумулированное кладкой, и потери тепла с уходящими продуктами сгорания. В начале разогрева футеровка интенсивно аккумулирует тепло, температура уходящих продуктов сгорания и их расход относительно невелики. С увеличением времени разогрева рост температуры греющей среды и температуры футеровки сопровождается опережающим увеличением потерь тепла с уходящими продуктами сгорания. При этом тепловая волна, дошедшая до кожуха, приводит к росту тепловых потерь в окружающую среду теплопроводностью. С ростом температуры греющей среды возрастают потери через технологические отверстия и зазоры. Все эти факторы приводят к снижению КПД стенда и к росту расхода
100
чо 80
о\
60
к
40-
§ 20
0
5
10
15 20 Время, ч
Рис. 5. Изменение количества тепла, аккумулированного
футеровкой и кожухом ковша: 1, 2, 4 - тепло, аккумулированное рабочим, арматурным и теплоизоляционным слоем футеровки соответственно; 3 -тепло, аккумулиру-емое кожухом ковша
топлива. В частности, расход топлива в процессе разогрева в течение 24 ч увеличивается почти в 5,5 раз: с 86 до 470 м3/ч.
Выводы. Температурные режимы разогрева футеровки ковшей влияют на тепловую эффективность работы стендов.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Строганов К.В., Попов С.К., Абакин Д.А. Энергосбережение при сушке и нагреве футеровки сталеразливочных ковшей // Промышленная теплоэнергетика. 2014. № 1. С. 7 - 10.
2. Краснянский М.В., Кац Я.Л. Совершенствование теплового режима эксплуатации стале-разливочных ковшей // Электрометаллургия. 2016. № 4. С. 2 - 10.
3. Чайкин Б.С., Марьянчик Г.Е., Панов Е.М. и др. Современные установки для сушки и высокотемпературного нагрева ковшей // Новые огнеупоры. 2006. № 10. С. 21 - 25.
4. Лоренц В., Локтев А., Гартен В., Бехманн Д. Современные пути решения технологических и технических проблем сушки, разогрева и термостатирования металлургических ковшей // Сталь. 2007. № 11. С. 74 - 77.
5. Лоренц В., Локтев А., Гартен В., Бехманн Д. Фирма «Мареко» на мировом рынке оборудования для сушки, разогрева и термостати-рования металлургических ковшей и желобов доменных печей // Новые огнеупоры. 2007. № 12. С. 19 - 27.
6. Запольская Е.М., Темлянцев М.В., Костю-ченко К.Е. Анализ основных направлений повышения энерготехнологической эффективности стендов высокотемпературного разогрева футеровок сталеразливочных ковшей // Вестник РАЕН. Западно-Сибирское отделение. 2013. № 15. С. 128 - 134.
7. Запольская Е.М., Темлянцев М.В., Костю-ченко К.Е., Матвеев М.В. Исследование эффективности использования кислорода при отоплении стендов высокотемпературного разогрева футеровок сталеразливочных ковшей // Изв. вуз. Черная металлургия. 2013. № 6. С. 3 - 7.
8. Темлянцев М.В., Запольская Е.М., Стерлигов В.В., Темлянцева Е.Н., Дегтярь В.А. Повышение энерготехнологической эффективности стендов высокотемпературного разогрева фу-теровок металлургических ковшей // Вестник горно-металлургической секции РАЕН. Отделение металлургии. 2014. № 33. С. 38 - 44.
9. Матвеев М.В., Темлянцев М.В. Исследование обезуглероживания периклазоуглеродистых огнеупоров при разогреве футеровок сталеразли-
вочных ковшей перед приемом расплава // Изв. вуз. Черная металлургия. 2010. № 10. С. 38 - 40.
10. Матвеев М.В., Темлянцев М.В. Обезуглероживание периклазоуглеродистых огнеупоров при тепловой обработке футеровок сталеразливочных ковшей // Металлург. 2010. № 8. С. 60 - 62.
11. Темлянцев М.В., Матвеев М.В., Костюченко К.Е. и др. Исследование кинетики выгорания углерода в периклазоуглеродистых ковшевых огнеупорах // Вестник горно-металлургической секции РАЕН. Отделение металлургии. 2011. Вып. 27. С. 85 - 90.
12. Темлянцев М.В., Матвеев М.В., Темлянцева Е.Н. Исследование влияния различных факторов на обезуглероживание периклазоуглеро-дистых ковшовых огнеупоров // Изв. вуз. Черная металлургия. 2011. № 10. С. 32 - 36.
13. Protopopov E.V., Temlyantsev M.V., Zapol-skaya E.M., Maksakova K.E., Degtyar V.A. High-temperature decarburization of alumina-periclase-carbon ladle refractories // Steel in Translation. 2014. Vol. 44. No. 12. С. 879 - 882.
14. Темлянцев М.В., Матвеев М.В., Костюченко К.Е., Лосицкая М.Ю. Анализ особенностей тепловой обработки периклазоуглеродистых и алюмопериклазоуглеродистых футеровок сталеразливочных ковшей // Вестник РАЕН. Западно-Сибирское отделение. 2012. Вып. 14. С.137 - 142.
15. Запольская Е.М., Феоктистов А.В., Темлянцев М.В., Бухмиров В.В., Бушуев Е.Н. Разработка детерминированной математической модели процессов тепломассообмена при разогреве футеровок сталеразливочных ковшей // Вестник Ивановского государственного энергетического университета. 2018. № 1. С.25 - 33.
16. Матвеев М.В., Темлянцев М.В., Запольская Е.М., Костюченко К.Е. Разработка математической модели тепловой работы стендов разогрева футеровок сталеразливочных ковшей // Вестник горно-металлургической секции РАЕН. Отделение металлургии. 2013. № 31. С. 31 - 44.
17. Запольская Е.М., Темлянцев М.В., Костю-ченко К.Е. Влияние геометрических размеров и емкости сталеразливочных ковшей на тепловую эффективность стендов высокотемпературного разогрева // Вестник Сибирского государственного индустриального университета. 2013. № 2 (4). С. 28 - 32.
© 2019 г. Е.М. Запольская, М.В. Темлянцев,
А.В. Григорьев Поступила 18 мая 2019 г.
