CC BY
43
УДК 662.76
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОЙ КОРРОЗИИ ОГНЕУПОРОВ ВАРОЧНОГО БАССЕЙНА СТЕКЛОВАРЕННЫХ ПЕЧЕЙ
Б.А. СЕМЕНОВ, Н.А. ОЗЕРОВ, В.Н. ЛУНКИН Саратовский государственный технический университет
Рассматривается один из наиболее эффективных способов снижения скорости высокотемпературной коррозии огнеупоров варочной части стекловаренных печей. А именно, интенсивный наружный обдув ограждающих огнеупорных конструкций, заключающийся в равномерной подаче вентиляционного воздуха через щелевые сопла. Полученным результатом является снижение скорости высокотемпературной коррозии, вследствие чего удлиняется период эксплуатации огнеупорной кладки стекловаренных печей.
Ключевые слова: высокотемпературная коррозия, ограждающие конструкции, баделеито-корундовые огнеупоры, термическое сопротивление.
Процесс стекловарения осуществляется при температурах пламенного пространства в диапазоне 1450+1580 °С [1]. Расплавленная силикатная стекломасса на уровне зеркала имеет температуру порядка 1400+1500 °С и является весьма агрессивной средой, интенсивно разъедающей все соприкасающиеся с ней огнеупорные элементы ограждающих конструкций печи. Наиболее интенсивно высокотемпературная коррозия протекает в так называемой критической зоне, расположенной на границе зеркала стекломассы. В процессе эксплуатации в пределах этой зоны по всему периметру варочного бассейна в массиве огнеупорной кладки печи возникают узкие полости [1], частично заполняющиеся стекломассой. При этом остаточная толщина огнеупорного слоя в глубине проеденных полостей достаточно быстро уменьшается, увеличивая вероятность аварийных прорывов раскаленной стекломассы в цех. Это является главной причиной, сокращающей как длительность кампании стекловаренных печей, так и общий эксплуатационный ресурс технологических линий стекольных заводов.
Поэтому задача поиска и обоснования наиболее рациональных путей продления эксплуатационного ресурса стекловаренных печей является сегодня крайне актуальной и имеет большую практическую значимость.
Одним из наиболее эффективных способов снижения скорости коррозии огнеупоров варочного бассейна является интенсивный наружный обдув печи путем направленной, равномерной, высокоскоростной подачи вентиляционного воздуха через специальные щелевые сопла, расположенные по всему периметру «окружки». Однако рекомендации по выбору скорости в обдувочных соплах = 35+45 м/с) и удельному расхода воздуха на обдув (Ь = 0,8+1,0 м3/с на 1 м длины периметра критической зоны) [1], широко используемые сегодня в стекольной промышленности, установлены эмпирически и не могут считаться оптимальными.
Основные закономерности и методика, использованная нами для построения математической модели, приводятся ниже.
Основным фактором, влияющим на интенсивность коррозионных процессов в огнеупорах, является температура. Графики зависимостей скорости разъедания ряда используемых в стекольной промышленности электроплавленных баделеито-корундовых огнеупоров от температуры натрийкальцийсиликатной стекломассы
© Б.А. Семенов, Н.А. Озеров, В.Н. Лункин Проблемы энергетики, 2010, № 7-8
оконного состава, построенные в работе [2] по экспериментальным данным,
представлены на рис. 1. 2,5
1300 1350 1400 1450 1500 1550
Температура расплава стекломассы вблизи стенки, I, °С
1600
Рис. 1. Стеклоустойчивость баделеито-корундовых огнеупоров по данным [2]: 1 - бакор 33; 2 - бакор 41; 3 - бакор 45; 4 - бакор 50
Для компьютерных расчетов указанные зависимости были аппроксимированы нами с использованием экспоненциальной функции следующего вида:
ш = а - е
Ъг
(1)
где ш - скорость коррозии, мм/сут.; г - температура стекломассы, °С; а, Ъ -эмпирические коэффициенты, численные значения которых представлены в табл.1; е - основание натурального логарифма.
Таблица 1
Значения эмпирических коэффициентов зависимости (1)
Коэффициенты Числовые значения коэф< »ициентов для мате риалов
Бакор 33 Бакор 41 Бакор 45 Бакор 50
а, мм/сут. 2,624-10-6 1,10410-6 0,597-10-6 0,177-10-6
Ъ, °С-1 8,46-10-3 8,86-10-3 9,1810-3 9,88-10-3
На температуру расплава стекломассы вблизи стенки существенное влияние оказывает теплопроводность материала стенки. Зависимость теплопроводности бакора ^бак, Вт/(м-°С), от его средней температуры г, °С, согласно данным [3, 4], описывается эмпирическим уравнением
^бак = А • ев(+273), (2)
где А, В - эмпирические коэффициенты, значения которых в системе СИ, А = 2,91 Вт/(м°С); В = 3,29-10-4 1/К.
Кроме того, на интенсивность коррозии огнеупоров существенное влияние может оказывать термическое сопротивление пристенного слоя стекломассы
(Ясм = см м2-°С/Вт), от величины которого в значительной мере зависит ^см
температура внутренней поверхности огнеупорной стенки. Для учета термического сопротивления пристенного слоя стекломассы использована зависимость, предложенная Н.А. Захариковым и А.И. Рожанским [2] . График этой зависимости в системе СИ показан на рис. 2.
Сумма гермосопротивлсний: (1/а.обд + ббак/Абак ] Рис. 2. Термическое сопротивление пристенного слоя стекломассы
В результате аппроксимирования данных этого графика предлагается следующая эмпирическая зависимость:
1
Ясм = '
16079
1
- +
8ба
- 0,00029, при Яшт < 0,15,
+ 190,6
аобд ак
Ясм = 0,0001516 при Яшт > 0,15,
(3)
где аобд - коэффициент конвективной теплоотдачи в зоне обдува, Вт/(м2-°С); 6бак -остаточная толщина бакоровой стенки, м; ^бак - теплопроводность бакора при средней температуре стенки, Вт/(м-°С); Я.ит - сумма термических сопротивлений (без учета сопротивления пристенного слоя стекломассы), м2-°С/Вт,
Я.
1
- +
8ба
(4)
аобд ак
Среднее значение коэффициента конвективной теплоотдачи в зоне обдува наружной поверхности огнеупорной стенки аобд определяется по уравнению для
условий турбулентного пограничного слоя, развивающегося вдоль плоской поверхности:
]Чы = 0,037 • Ие0'8 • ^ • (Ргвоз^ РгСт )°'25. (5)
Для воздуха уравнение (5) может быть с погрешностью < 2% переписано в виде
]\и = 0,0317 Ие0 8.
Значения критериев подобия определяются по характерному размеру I, равному ширине обдуваемой зоны наружной поверхности.
С учетом вышеизложенного был разработан пошаговый алгоритм, моделирующий динамику процесса коррозии огнеупоров в стекловаренной печи, предназначенный для компьютерной реализации.
В результате практической реализации данного алгоритма с шагом
Лт = 1 сут., применительно к коррозионному процессу стенки верха ванны
*
стекловаренной печи с начальной толщиной 8бак =300 мм (бакор 33) при температуре зеркала стекломассы 1500 °С, получены зависимости (рис. 3).
Рис. 3. Изменение остаточной толщины бакоровой стенки в критической зоне стекловаренной печи при температуре зеркала стекломассы 1500 °С: 1 - без обдува наружной поверхности, аобд=11,65 Вт/(м2°С); 2 - при скорости обдува = 20 м/с, аобд = 100 Вт/(м2-°С); 3 - = 40 м/с, а„бд = 175 Вт/(м2 ■ °С); 4 - п> = 65 м/с, аобд = 258 Вт/(м2-°С); 5 - = 95 м/с, аобд = 350 Вт/(м2-°С)
Видно, что на начальном этапе эксплуатации, при остаточной толщине стенки большей 150 мм, использование обдува наружной поверхности для продления эксплуатационного ресурса стекловаренных печей неэффективно, так как даже при максимально возможных скоростях обдува время достижения остаточной толщины в
150 мм возрастает не более, чем на Д Т1=5%, по сравнению с вариантом эксплуатации
*
печи без обдува. При начальной толщине стенки 6бак =300 мм и температуре зеркала
стекломассы 1500 °С влияние скорости обдува на замедление коррозии начинает заметно проявляться лишь при остаточной толщине стенки, меньшей 150 мм. При этом использование обдува с высокими скоростями позволяет практически удвоить эксплуатационный ресурс печи на заключительном этапе ее работы.
Исходя из соображений максимальной экономичности, был сделан вывод о необходимости выделения двух характерных периодов эксплуатации стекловаренных печей: первого, характеризующегося отсутствием обдува критической зоны, и второго - с обдувом критической зоны. Первый этап
продолжается до достижения некоторого значения остаточной толщины огнеупорной кладки 5кр i, которую предлагается считать первым критическим значением
толщины. После чего должен начинаться второй этап эксплуатации, продолжающийся вплоть до полной выработки эксплуатационного ресурса. Критерием полной выработки ресурса стекловаренных печей, согласно [1], является значение остаточной толщины огнеупорной кладки на уровне зеркала стекломассы 6кр 2 = 20 мм. При этом следует понимать, что показанное на рис. 3 численное
значение 5кр i =150 мм приведено лишь в качестве примера для конкретной
температуры зеркала стекломассы ¿см = 1500 °С и начальной толщины стенки
*
5бак =300 мм. В общем случае выбор значения первой критической толщины должен
определяться технико-экономическими соображениями с учетом реальных конструктивных характеристик и заданных условий работы печи.
В настоящее время выполняется технико-экономическая оптимизация на базе численного эксперимента, реализуемого на разработанной нами математической модели.
Вывод
На основе анализа экспериментальных и теоретических исследований процессов высокотемпературной коррозии определены подходы к математическому описанию процесса воздушного обдува ограждающих огнеупорных конструкций стекловаренных печей.
Summary
One of the most effective ways of decrease in speed of high-temperature corrosion fireclay materials a melter part of glass furnaces is considered. Namely intensive external having blown in protecting fire-resistant designs. Consisting in uniform giving of ventilating air, through slot-hole nozzles. The received result is decrease in speed of high-temperature corrosion, in a consequence of that the period of operation of a fire-resistant laying glass furnaces is extended.
Key words: high-temperature corrosion, protecting designs, bodelito-korundovye fireclay materials, thermal resistance.
Литература
1. Попов О.Н. Производство и применение плавленнолитых огнеупоров / О.Н. Попов, П.Т. Рыбалкин. М.: Металлургия, 1985. 255 с.
2. Коррозия и служба огнеупорных материалов в ванных стекловаренных печах при высокотемпературной варке стекла: Обзорная информация. М.: ВНИИЭСМ Министерства промышленности строительных материалов СССР, 1974. 70 с.
3. Богатырев Л.С. Исследование теплофизических свойств баделитокорундовых огнеупоров / Л.С. Богатырев, А.П. Гусев, Л.Л. Чернина // Огнеупоры. 1978. №4. С.56-58.
4. Лункин В.Н. Оценка состояния футеровки и теплоизоляции ограждений стекловаренных печей / В.Н. Лункин, П.Г. Антропов: сб. науч. тр. Проблемы рационального использования топливно-энергетических ресурсов и энергосбережения. Саратов: СГТУ, 2006. С.93-99.
Поступила в редакцию 21 декабря 2009 г.
Семенов Борис Александрович - д-р техн. наук, профессор кафедры «Промышленная теплотехника» (ПТ) Саратовского государственного технического университета (СГТУ). Тел.: 8 (452) 52-62-19; 8-906-3148817.
Озеров Никита Алексеевич - аспирант кафедры «Промышленная теплотехника» (ПТ) Саратовского государственного технического университета (СГТУ). Тел.: 8 (452) 52-62-19; 8-917-3088819. Е-шаП: [email protected].
Лункин Владимир Николаевич - канд. техн. наук, доцент кафедры «Промышленная теплотехника» (ПТ) Саратовского государственного технического университета (СГТУ). Тел.: 8 (452) 52-62-19; 8-905-3281365.
