УДК 691.4. 004. 8/669. 184
ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ В ЗАГОТОВКЕ ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ СИЛИКАТНОГО КИРПИЧА С ДОБАВКАМИ ШЛАМА
Н.И. Шестаков, Е.Л. Никонова, Т.Н. Меньшакова
В работе рассматриваются тепловые процессы, протекающие в заготовке при изготовлении силикатного кирпича с добавками шлама, являющегося отходом кислородно-конвертерного производства металлургических предприятий
Ключевые слова: теплообмен; шлам; утилизация; силикатный кирпич
Развитие строительной отрасли в русле
решения целевой программы по обеспечению населения доступным жильем ввиду дефицита цемента требует расширения сырьевой базы вяжущих за счет применения местных отходов промышленности. В настоящее время утилизация шламов, накопленных в шламохранилищах, производится недостаточно из-за отсутствия
промышленных технологий их переработки.
Учитывая негативное влияние на окружающую природную среду и ограниченные возможности по расширению объема накопителей, применение их в различных отраслях промышленности является важной экономической и экологической задачей.
Одним из наиболее рациональных и
эффективных путей решения этой задачи способно стать комплексное применение в конструктивных системах жилых зданий материалов различных видов и назначения, получаемых преимущественно на базе продуктов переработки крупнотоннажных техногенных отходов и местных природных материалов. Здесь возможно достигнуть значительной экономии энергоресурсов за счет уменьшения объемов работ в карьерах для добычи природного сырья.
Для успешной разработки технологии получения силикатного кирпича с использованием отходов металлургического производства, в частности, необходимо изучить тепловые процессы, протекающие в заготовке в процессе ее обработки.
Исследование проведено методами математического моделирования.
Соответствующие теплофизические параметры получены ранее экспериментальным путем.
Заготовка с размерами 28х28у281 помещена в среду, имеющую температуру Тж. В момент помещения материала в камеру заготовка имеет
Шестаков Николай Иванович - ЧГУ, д-р техн. наук, профессор, тел. (8202) 31-00-96, E-mail:
n.i.shestakov@mail.ru
Никонова Елена Леонидовна - ЧГУ, канд. техн. наук, доцент, тел. (8202) 51-78-29, E-mail:lucka-nik@yandex.ru Меньшакова Татьяна Николаевна - ЧГУ, аспирант, тел. (8202) 29-01-91, E-mail: tataid@rambler.ru
начальную температуру Т0,°С, которая равномерно распределена по всему объему.
Затем материал начинает прогреваться за счет теплоты газов, имеющих температуру Тс°С. При достижении поверхностью заготовки температуры реакции ТР, °С, при которой начинается химическая реакция, заканчивается первая стадия прогрева материала.
При достижении поверхностью заготовки температуры химической реакции в материале начинают действовать локальные источники внутренней энергии, распределенные не по всему объему заготовки. Химическая реакция начинает действовать по объему заготовки по мере достижения внутренними слоями температуры химической реакции.
Вторая стадия заканчивается в момент достижения температуры химической реакции центром заготовки. В третьем периоде внутренние источники распределены по всему объему заготовки.
Период устойчивого протекания химических реакций заканчивается при достижении температуры на поверхности заготовки постоянного значения. Дальнейшее увеличение температуры невозможно.
Температурное поле заготовки при этом опишется дифференциальным уравнением:
дТ (&Т д2Т д2Т'\ (q \ , .
ITXx v+iF J+bf (j-2)’
где Tj - температура заготовки; т - время; а -коэффициент температуропроводности материала заготовки; x, y, z - текущие координаты; qv -удельная мощность внутренних источников теплоты; a0(j-2) - функция Хевисайда [1]. Индекс j
= 1 соответствует области, где отсутствуют
внутренние источники теплоты, j = 2 относится к области, где уже действуют внутренние источники теплоты.
Считаем, что в начале процесса температура в заготовке распределена равномерно, тогда начальные условия:
Т (x, y, z, т = 0) = Т0 = const.
Из условий геометрической и тепловой симметрии следует:
= 0; = 0 ;
дT (0, у, і,т)
дx
дТ (x,0,z, т) ду
дГ (ху,0,т) = 0. дг
Теплообмен на поверхности заготовки подчиняется закону Ньютона-Рихмана:
дТ(±Зх,у,і,г) аг , ч •
т д/ =іЛт ( • у--'т)-Г- ]'
_дТ ( х, ±3у, г, т)
' Л-
ду
дТ (х, у, ±&,т) аг , 4-і
т ( і г )=і[Т (у,±*,т)-Тж]
Л (х. ±^у. г,т)-)
где а - коэффициент теплоотдачи; Я -коэффициент теплопроводности.
Решение данной системы в безразмерном виде можно представить как произведение трех решений для неограниченной пластины, так как заготовка (параллелепипед) образована путем пересечения трех взаимноперпендикулярных неограниченных пластин:
0(х, у, 1,Т =
[Т (х,т)- Тж ]-Т (ут)-Тж ][Т (іт)-Тж ] (Т0 - Тж )3
Задачу решаем следующим образом. На первом этапе рассчитываем поле температур без учета действия внутренних источников теплоты. При этом используются известные решения о температурном поле для неограниченных пластин [2]. Внутренние источники теплоты в период
развитой гидратации (третий период) действуют по всему объему заготовки.
Здесь также используются известные решения о температурном поле для неограниченных пластин, но уже в условиях действия внутренних источников теплоты.
Температурное поле в заготовке в период начала действия химических реакций (второй период обработки) по аналогии с методикой [3]
определяется методом интерполяции значений, полученных на первом и втором этапе расчета. Расчет динамики роста температуры на поверхности заготовки при различных значениях
а8
критерия Био (ы =-----) на первом этапе обработки
Я
представлен на рис.1.
1,05
1
^ 0,95
Л
!з 0,9 с 0,85
I 0,8
0,75
0,7
+ ВІ = 5
і,/1Ґ
V 4 Ві = 15
—X—Ві = 20
—Ж-ВІ = 30
0,1
0,3
0,5
0,7
0,9
1,1
ат ¥о = — 8г
Бо
Рис.1. Зависимость безразмерной температуры на поверхности заготовки в центральной плоскости от числа Фурье
Здесь и далее при обработке результатов расчета в качестве определяющего размера используется эквивалентный размер, равный корню кубическому из произведения длины, ширины и высоты заготовки.
Анализ графика позволяет определить продолжительность периода прогрева заготовки при различных значениях критерия Ы. С увеличением значения критерия Био
продолжительность стадии прогрева уменьшается, стремясь к нулю (при увеличении коэффициента теплоотдачи с Ы = 5 до Ы = 30 время достижения поверхностью заготовки температуры реакции уменьшается с ¥в = 1,1 до ¥в = 0.3).
При дальнейшем увеличении коэффициента теплоотдачи поверхность заготовки достигает температуры начала протекания химической реакции довольно быстро.
При достижении на поверхности заготовки температуры химической реакции в материале начинают действовать локальные источники внутренней энергии, распределенные не по всему объему заготовки.
Химическая реакция начинает действовать по объему заготовки по мере достижения внутренними слоями температуры химической реакции. Вторая стадия заканчивается в момент достижения температуры химической реакции центром заготовки. Продолжительность стадии начала действия химических реакций можно определить по графику рис. 2 для заготовок различных размеров.
Fo
Рис.2. Зависимость безразмерной температуры от числа Бо в центре заготовки
Анализируя график, можно сделать вывод, что значение критерия ¥о в конце периода начала действия химических реакций с увеличением размера заготовки уменьшается с ¥о = 1,8 для заготовок эквивалентным размером 10 мм до ¥в =
0,23 для заготовок эквивалентным размером 100 мм.
Для заготовок одинакового размера критерий ¥о на стадии начала действия химических реакций уменьшается с увеличением значения критерия Био незначительно (с ¥о = 0,8 для значений критерия Ы = 5 до ¥о = 0,6 для значений критерия Ы = 30). Распределение температуры в заготовке в период устойчивого действия химических реакций приведено на рис.3.
На стадии устойчивого протекания процессов температура в центре заготовки значительно выше температуры на поверхности. Заготовка разогревается за счет действия внутренних источников теплоты.
При увеличении критерия Ы для заготовок одного размера температура уменьшается как на поверхности, так и в центре, средняя температура заготовки уменьшается.
При постоянном значении критерия Ы средняя температура в заготовке увеличивается с возрастанием размера заготовки. Для Ы = 1 при изменении эквивалентного размера от 10 мм до 100 мм средняя температура заготовки увеличивается примерно на 70 %. При увеличении критерия Ы до 20 и том же изменении размеров заготовки средняя температура соответственно увеличивается на 45 %.
Череповецкий государственный университет
Безразмерная координата
Рис.3. Динамика изменения температуры заготовки (Ы = 1) на стадии устойчивого действия реакций
В результате проведенных исследований мы видим, что на продолжительность периода прогрева оказывает значительное влияние критерий Ы'. В последующих периодах (начала действия химических реакций и устойчивого протекания химических реакций) критерий Ы уже не оказывает существенного влияния. В этих периодах большее значение имеет фракционный состав заготовки.
Выполненные исследования позволили разработать и реализовать на практике технологию получения силикатного кирпича с добавками шлама, в частности, успешно изготовлена опытная партия силикатного кирпича с добавкой шлама оборотного цикла водоснабжения газоочистки кислородно-конвертерного производства ОАО «Северсталь».
Литература
1. Джеффрис Г., Свирл Б. Методы математической физики. М.: Мир, 1969. 412 с.
2. Лыков А.В.Теория теплопроводности. М.: Высшая школа, 1976. 600 с.
3. Шестакова Е.А., Никонова Е.Л., Кононова М.А. Моделирование тепломассообмена при наличии внутренних источников теплоты. Череповец: Изд-во ЧГУ, 2004. 108 с.
THERMAL PROCESSES IN PREPARATION AT MANUFACTURING OF THE SILICATE BRICK WITH DIRT ADDITIVES
N.I. Shestakov, E.L. Nikonova, T.N. Menshakova
In work the thermal processes proceeding in preparation at manufacturing of a silicate brick with dirt additives, being a withdrawal oxygen-konverter manufactures of the metallurgical enterprises are considered
Key words: heat exchange; a dirt; recycling; a silicate brick