Раздел 5 Процессы тепло и массообмена при нагреве металла

ПШП

В печи 5 зон легко перераспределять топливо по длине (разные режимы) при изменении сортамента проката. Часть нижней поверхности заготовка все время нагревается снизу.

ПШБ

8 зон печи режимы свода направляем поток газа.

ПШБ должны ускорять нагрев за счет одинакового нагрева верху и снизу.

ПШП экономически эффективнее, но ПШБ при одинаковой производительности может иметь меньшую площадь.

Сравнительный анализ схем теплообмена в камерах печей

По Глинкову радиационные режимы:

1. Равномерно-распределенный подвод топлива распределен циркуляции газов сильная.

2. Косвенно-направленный зона факела смещена к кладке

3. Прямой направленный. Факел смещен к Ме используют в мартенах но для защиты кладки от перегрева.

4. Конвективный режим в низкотемпературных печах. Конвекция больше, чем излучение.

В чистом виде такие режимы не наблюдаются. Сравнение схем теплообмена в учебнике теплообмена в учебнике ТМП. Задавая распределение Тгаза с максимума у кладки металла по высоте камеры и коэффициент теплоотдачи поверхности, т.е. в расчете задали то что является результатом теплообменом.

Во ВНИИМТ решали задачу для целевого канала в нем двигался поток с заданным распределением W(y) имитирующим струи горелок. Заданы t_ме и коэффициент теплопередачи через кладку. Схемы сравнивали по q_ме.

Уравнение энергии:

Изменение во времени = перенос тепла теплопроводностью.

Для получения дивергенции определяется интегрированием уравнения переноса. Тепловыделение q_v определяли по экспериментальным кривым выгорания факела.

Расчет методом конечных разностей, т.е. использования диф.разностное приближение.

Скорость определяем на изотермическом стенде.

Пример опыта

Схемы тока при разной интенсивности спутного потока.

Слева направо расход газа в спутном потоке нарастает. И зона циркуляции из камеры вытесняется.

Во всех расчетах смещение факела к металлу дало больший поток на Ме, чем смещение к кладке. Наибольшая теплоотдача к ме была, когда скорость газа одновременно повышалась у кладки и ме.

Экспериментальные исследования способов отопления печей

Серия экспериментов на огневых стендах искали новый способ отопления в замен косвенного плоско пламенными горелками. У сводовых горелок использовали конические амбразуры тунелей.

ППГ – плоско-пламенная горелка

ГКТ – горелка с коническим тонелем

У сводовых плоско пламенных горелок ГПП (рис а), амбразуру горелочного блока тороидальную заменили на коническую (рис. б). ГКТ – горелки с коническим тоннелем.

- у ГПП продукты горения разбрасываются вдоль свода, омывают свод и боковую стенку (рис в), затем циркулируют к корню факела, омывая металл

- у ГКТ (рис г) продукты движутся вдоль конуса, образуя грушевидный факел, движутся сначала к ме, затем омывают боковую поверхность и свод, т.е. у ГПП нагрев косвенный, а у ГКТ нагрев прямой.

12.10

Эксперименты на огневом стенде (модель толкательной печи)

модель толкательный печи

Модель ПШП.

Горелки (слева ГНП), сверху ГПП или ГКТ

Металл или калориметры в поду (модель Тметодической печи), или ряд заготовок, поднятые над подом на 100, 200 или 300 мм (ПШП)

Проведены эксперты с разным конструктивными исполнениями стенда.

1. Эксперименты с ГКТ и ГПП в ТМП теплоотдача к калориметром одинакова, но у ГКТ температура газа вблизи Ме>100С. Теплоотадача одинакова.

2. Эксперименты по ГКТ и ГПП в ПШП.

У ГКТ теплоотдача калориметром больше на 10% из-за рост потока тепла к ме снизу

3. Сравнение сводового ГПП и торцевого отопления ГНП. Теплоотдача калориметра почти одинакова. В опытах был короткий стенд, длинные факелы торцовых горелок, продукты уходили из камеры, не успев отдать тепло.

Примеры экспериментальных проследований печей

1. Исследование высоты подъема заготовок в ПШП над подом.

У прямоугольных заготовок их подъем от 100-200мм над подом увеличил теплоотдачу к металлу на 10%, подъем от 100 до 300 мм ув теплоотдачи на 15%.

2. Эксперименты на толкательных печах показали,

В экспериментах на печи стана 800БМК под пережимом свода томильной зоны подсасывается холодный воздух, металл подстуживается, производительность падает на 10%. Похожая картина на аналогичных печах. Проектантам рекомендовали избегать использования пережима свода.

3. Роликовая подогревательная печь БМК

Нижний обогрев не работает. Металл снизу подстуживался. Между роликами установили опорные перекрытия из кирпича – тепловые экраны.

Потерь тепла внизу не стало, металл начал нагреваться.

Метематическое описание процесса нагрева

Считается, что печь состоит из огневых камер над и под металлом. В каждой зоне есть свод, металл и изотермическая зона газа. Есть перетоки продуктов сгорания (если металл движется слева направо, то газы справа налево). По длине зон для каждой камеры записана система уравнения

(1)

Баланс тепла для поверхности металла

(2)

Баланс тепла для объемной зоны:

t_гi, t_сi, t_мi – температуры газа, свода и металла соответственно

– суммарные потоки тепла через верхнюю и нижнюю поверхности металла.

– результирующие излучения на свод и металл.

Расчеты на модели при заданной температуре поверхности металла из уравнений (1) и (2) определяется t_гi и tс_i – газа и свода. Распределение топлива по зонам считается по (3) отдельно. Температуру по толщине заготовок считать в Ансис.

Описание внешнего теплообмена

В самом простом случае серой среды использовать решение Тимофеева – система гкм.

- угловой коэффициент излучения кладка на металл

Степень черноты по формуле Гурвича

- степень ослабления среды

Учет селективности излучения

Излучение и поглощение велико у многоатомных газов(3х).

Особенности поглощения фотонов при совпадении частоты.

Парциальное давление – доля от единицы

Газы излучают и поглощают в полосах спектра, которые состоят из множества линий.

Современные модели учитывают форму спектральных линий полосы поглощения.

В модели Эльзассера полоса из регулярно расположенных линий.

В модели Гуди полоса состоит из случайно расположенных линий.

! В модели Эдвардса и Менарда (экспоненциальная), линия в полосе расположены равномерно, а их интенсивность убывает по еxp от центра полосы. Часто используют модели с селективно-серым приближением. Спектр разбивают на излучающие и на неизлучающие полосы с постоянными свойствами. Все эти модели для изотермичного объема газа.

Неизотермичность объема газа используют зональный метод или метод Кертиса-Годсона.

В методичке описана модель интегральных характеристик селективность.

19.10

Методы исследования промышленных печей

Прогонка опытных заготовок

Опыты трудоемкие. Информации мало.

Исследоавние дополнли расчетами на математических моделях. Грубые модели настраивались коэффициентами по опытным данным. Рациональные режими определить можно, но трудоемко.

Расчетно-экспериментальный метод

А) Изменяют температуру поверхности заготовки:

- методом теплового контакта

Рабочий спай термопары прижимают к металлу полоской каолиновой ваты

- оптическим пирометром

Пирометр визируют на боковые поверхности заготовок, где меньшее отражение.

Б) Считают поле температуры в объеме заготовок.

Соответственно на печи проводятся эксперименты с определением температуры поверхности, рассчитывают температуру в объеме заготовок, определяют оптимальный режим нагрева. При максимальной производительности, а варианты с увеличением времени нагрева определяются в соответствии со схемой.

Сохраняется время и динамика томления металла, обеспечивается получение заданных температур конечной и начальной металла.

В сварочных зонах нагрев ведется по режиму с минимальным расходом топлива (по прямой в координатах температура – время нагрева).

Расчетом подбираются режимы, при которых подвод топлива максимально удален от дымоотвода.

Составляется технологическая инструкция по нагреву металла.

Процессы тепломассообмена при подготовке руд к плавке – агломерация

Агломерация – кускование мелкого железорудного сырья путем спекания.

1 – барабанный окомкователь, 2 – транспортер, 3 – загрузочные устройства, 4 – агломерационная лента 5 – зажигательный горн, 6 – вакуум камера, 7 – дымосос.

В 1 подают железорудный концентрат, известнят, тв. Топливо, вода, возврат.

В 1 получают комочки 3-6 мм, обеспечивают проницаемость слоя. 3 грузит шихту на 5 слоем 200-450 мм. Горн 4 зажигает топливо в шихте. Продукт с t 1400С просасываются через слой. Зона горения перемещается сверху-вниз.

Схема агломерационного слоя

1 – спек агломерата

2 – зона горения

3 – зона подогрева

4 – зона сушки

5 – влажная шихта

tм,tг – температура материала и газа

Зона горения 15-20 мм. Из слоя продукты уходят с t 60-80 С и продувают шихту перед загрузкой.

В слое перекрёстная схема движения шихты и газа. Качество агломерата зависит от скорости нагрева, охлаждения, времени пребывания материала в области высоких температур.

Теплоообмен в слое при перекрестном движении газа и материала

Изложение по Мострякову

1. Теплообмен в неподвижном плотном слое (задача Шумена)

Допущения: частицы одинаковые, слой неподвижен, частицы термически тонкие, теплообмен между газом и материалом только конвекцией.

Уравнение для элементарного объема

dV=dxdydz

Wг – скорость газа в сменном сечение

Тм, Тг – температура слоя и протекающего через него газа

См_v ,Cг_v – теплоемкости объемные в слое газа

ε – порозность слоя.

ε = 1 – χ, χ – удельный объем материала

τ – время

α_v – объемный коэффициент теплоотдачи.

Уравнение, приведенное к безразмерному виду

Введем обозначения:

z – относительное время

y – относительная координата

Решение представлено в виде формул и графиков вида:

Тг,Тм можно посчитать как меняются по высоте слоя, по времени, в зависимости от параметров.

Теплообмен при перекрестном движении газа и материала в слое

Перекрестное движение в агломерации, отжиге, получения окатышей и др.

Задача отличается от задачи шумана движущимся металлом со скоростью Wм из рисунка Wг,x = Wг Cosφ и Wг,y = Wг Sinφ

X – это время, выраженное через Wм

Исходное уравнение привели к безразмерному виду с помощью обозначений. Записанных несколько иначе и получили формулировку, идентичную задаче Шумана. Значит можно использовать графики Шумана, если использовать запись обозначений y’ и z’ для задачи с перекрестным движением газа и материала.

При больших значениях термической массивности частиц между поверхностью и центром куска перепад температуры. Для учета используют понятие коэффициента массивности, решение Шумана можно использовать и здесь, если применить предложенный Б.И. Китаевым суммарный коэффициент теплопередачи К_V

r₀ – радиус частицы слоя, ψ – коэффициент формы (1/3 – для пластин, ¼ для цилиндра, 1/5 для сферы).

Определение α_F α_v – Мостряков с 128

Схема расчета теплоообмена слоя агломерационной шихты.

Используется метод элементарных тепловых балансов и решение задачи теплообмена в слое с перекрестным движением. Зона горения перемещается сверху вниз.

Z₀ – высота, равная толщине зоны горения

τ₀ – продолжительность полного сгорания куска топлива

U_л – скорость движения ленты

U_л* τ₀ – путь ленты за время горения куска

Зона горения перемещается дискретно после полного сгорания топлива. Для схемы составляется система уравнений элементарных тепловых балансов. Для зоны горения тепловой баланс:

BQнр+Qв+Qт+Qм=Q1-6

Величины приходной части записываются с учетом плотности шихты, концентраций топливо в шихте, углерода в топливе, дали руды и флюса в шихте.

Для упрощения в зоне считается tг=tм=tфлюса=tруды

В остальных зонах значения tм и tг определяются расчетом по схеме с перекрёстным движением газа и материала в слое. Необходимо прослеживать температуры на выходе из какой зоны появляется t на входе в расчетную зону.

Начальная температура в данной зоне – это конечная температура на выходе из предыдущего элементарного слоя.

Важным параметром агломерационного процесса является скорость перемещения зоны максимальных температур по слою, т.е. максимальная скорость спекания (её определение – см. книгу Лисиенко).

Влияние разных факторов на процесс агломерации

Расход воздуха

Зависит от гидравлического сопротивления слоя и разряжения вакуум-камеры. Плохо пропускает воздух зона плавления. Зона горения движется вниз, газопроницаемость растет. Если топливо в слое постоянно, то рост расхода воздуха ускоряет перемещение в зонах горения. Уровень температур снижается, качество агломерата падает.

Расхода топлива

Если топлива мало, то при движении зоны горения вниз температура в ней быстро падает из-за расширения горячей зоны.

Если топливо по высоте равномерно, то вверху будет его недостаток, а внизу избыток.

Переменное количество топлива по высоте организовать трудно, поэтому используют комбинированный нагрев. Топливо обеспечивают столько, соклько нужно нижней части слоя, а недостаток тепла в верху компенсирует дополнительным нагревом и просасыванием горячего дыма сверху.

Фракционный состав шихты

Меньше частица, меньше просасывается воздуха. Мелкие частицы слоя быстрее прогреваются. Крупные воспринимают меньше тепла от газов из-за высокой температуры поверхности, т.е. поток тепла к слою меньше, но поток тепла перемещается сверху вниз быстрее.

Процессы тепломасообмена при подготовке руд к плавке. Обжиг окатышей

Применяют для окускования тонкоизмельченных концентратов. На них производительность агломашин снижается до 2 раз. Окатыши прочнее, что важно для удаления ГОКов

1 – бункер с шихтой

2 – транспортер

3 – смесительный барабан

4 – бункер для бентонита

5 – гранулятор

6 – машина для обжига

7 – вентилятор

8 – грохот для сортировки окатышей по крупности

Машина обжига аналогична агломерационной при обжиге идет на восстановление, а окисление FeO – Fe3O4 – Fe2O3.

Здесь спекание твердофазное.

Растут зёрна, между ними образуются мостики. Твердого топлива в слое нет. Отапливают сверху просасывая горячий дым через слой.

Зона 1 – сушка

При быстрой сушке возможно объемное напряжение выше допустимого, поэтому сушат продуктами горения из зоны рекуперации между 2 и 3

Зона 2

Здесь нагрев до 1000-1100 С, фильтрация горячего дыма через слой. Если вы не было химических реакций. Расчет по формулам для перекрестного движения газа и материала в слое. Об учете нелинейности (зависимость свойст от темпаратурных источников, стоки тепла и др.).

Тепловые эффекты в процессе могут учитываться при использовании кажущейся теплоёмкости материала.

Скаж = Ср + (учет теплоты испарение) + (эффект удаления гидратной влаги) + (эффект декарбонизации) + (эффект окисления магнетита) + ….

Температура в нижней части меньше температур в верхней части. Для выравнивания температуры в зоне рекуперации газы просасываются снизу вверх (газы из зоны охлаждения).

Влияние факторов на процесс обжига

1. Качество зависит от температурно временных условий, характеризуемых показателем

t(τ) – изменение температуры материала во времени

τ_к – продолжительность обжига при температуре выше t_o температуры твердофазного спекания.

t₀ – температура твердофазного спекания

Существует оптимальная производительность и высота слоя. При некоторых условиях она может составлять 450-480 мм.

Слой толще, меньше скорость фильтрации, хуже теплообмен, падает производительность.

2. Фракционный состав окатышей

Крупные окатыши долго сушатся, хуже теплоотдача к ним, медленнее нагрев, ниже производительность или качество

3. Температурный режим обжига

Рост температурного напора, теплообмен вверх. В зоне обжига температурный напор увеличивать нет смысла, т.к. материал перегревать не следует. Целесообразно увеличивать температуру в зоне подогрева.

Сжигание газа в слое окатышей

Способ разработан УПИ, ВНИИМТ.

Слой на толщине до 100 мм разогревают до 1200-1300С, подают смесь с α=3-5. Смесь зажигается разогретым материалом, продукты просасываются вниз. Схема слоя, как при агломерации.

Продукты горения нагревают нижний слой. Они начинают воспламенять смесь. Зона горения движется вниз. Способ сокращает расход топлива на 4-5% , производительность растет до 15%.

Процессы тепломасообмена в плавильных ваннах

Процессы в плавильной ванне

В ванне удаляют примеси: углерод, марганец, кремний, фосфор, сера, добавляют компоненты для получения заданного состава.

1 – технологические газы

2 – нерасплавленный лом

3 – корольки металла

4 – плавильная пыль

В ванне фазы маталл-шлиак-газ

В металл твердые частицы лома, извести, жидкий металл, пузыри технологических газов. В шлаке твердые корольки металла. Через ванну идет барботаж. Перенос газов вверх-вниз. От факела поступает тепло qрез. Выделяется экзотермическое тепло и т.д.

Тепловой баланс сталеплавильной ванны

Агрегаты работают в периодическом режиме и баланс составляют на продолжительность плавки

Уравнение теплового баланса

Q_хт+Q_ср.т.+в+Q_с+Q_экз+Q_ф.с.к+Q_ф.т.ч..=Q_м+Q_шл+Q_энд+Q_ухN2+q_пот

Химическое тепло топлива

Физическое тепло топлива и воздуха

Теплота сгорания С

Тепло экзотермических реакций

Физическое тепло скрапа

Чугуна

=

Физическое тепло материала

Теплота шлака

Теплота эндотермических реакций

Продукты сгорания

Продукты окисления примесей

Уносит озон дутья

Все виды потерь

Расчет требует знаний технологического процесса. Сложно считать тепло от выгорания углерода, который зависит от окислительных способности печи и может иметь знаки + и -. Подробнее см. Лисиенко.

Подходы к описанию основных закономерностей переноса

1. Расчет внешнего теплообмена

Расчёт агрегатов с открытым рабочим пространством над ванной (мартены, конвертеры и т.д.) составляется система др. внешнего теплообмена, аналогично нагреваемых печей с аналогичными расчётными схемами.

Полное описание сложного теплоообмена математически сопряженная задача, в плавильных ваннах вместо расчёта нагреваемого металла делается расчет теплообмена в ванне.

2. Описание теплообмена в ваннах

2а. Использование критериальных зависимостей

Процессы в ванной можно описать системой уравнений, но в реальных условиях процесс сложен, всё меняется, граничные условия определить трудно. Поэтому многие процессы изучают экспериментально, используя методы моделирования и подобия. ИЗ уравнений гидродинамики после приведения к безразмерному виду получили определяющие критерии.

Отношение силы инерции к силам вязкости.

– число фруда

Отношение кинетической энергии потока к работе силы тяжести

число Эйлера

Отношение силы давления и силы энергии, отношение силы давления и силы инерции, отношение перепадов давления статического напора к динамическому напору. При решении определенной задачи можно сделать своё толкование.

– критерий гомохромности

Числу струхала – это отношение времени проеткания рпоцесса к времени перемещения элемента жидкости w на расстояние x. Для нестационарного процесса

X – Характерный размер ванны, м

g – ускорение силы тяжести, м²/с

2б. Описание процесса перемешивания в ваннах

Перемешивание активное под действием дополнительной энергии и естественное по действие подъемных архимедовых сил гравитационная и барботаж газами. Перемешивание механическое, электромагнитное, струйное. Струйное – под действием струй, струи сверху в конверторах, мартеновских ваннах и т.д.

Струя сверху деформирует поверхность, образуется кратер. Форма и размеры кратера зависят от скорости и угла подачи.

Струя снизу б, резко расширяется, разибвается на пузыри, при большом расходе появляются контуры газожидкостной струи, как бы формируется зоны движения.

Нет выбросов металла струя режет куси лома. На продувку влияют числа Архимеда и Вебера.

Число подобия Вебера:

Отношение сил инерции к силам поверхностного натяжения

σ – поверхностное натяжение Н/м

х – характерный размер ванны, м

Естественное перемешивание

Неравномерны температура и плотность, лёгкие температуры всплывают, появляется циркуляция, на которую влияет ещё и барботаж пузырками газа. Подробнее см. в литературе.

Периоды тепловой работы печи

1. Заправка – забрасывают порошки, которые спекаются с кладкой, устраняют повреждения подины.

2. Завалка. Сначала заваливают сыпучие, затем лом с высокой тепловодностью. Тепловая нагрузка печи максимальна.

3. Прогрев шихты. T шихты поднимают немного выше Т плавления чугуна через желоб на дне печи.

4. Плавление. Ванна перемешивает пузыри СО и СО2, расход топлива снижают, чтобы не перегреть кладку. Металл снижают, чтобы не перегреть кладку. Металл кипит, плавление под толстым слоем шлака.

5. Доводка. Нагрели до Ткон металла, выставили содержание примесей. Газовыделение и перемешивание снизилось, топливо снизили, могут подавать технический кислород через водоохлаждаемые фурмы.

Методы расчета сталеплавильного процесса

Расчет нагрева шихты

Внешний теплообмен считают через пирометрический коэффициент

Е_ф = η_пирt_α^б

η_пир- пиримотрический коэффициент

t_α^б – балансовая температура горения, определенным по известным методикам.

Теплофизические свойства считают аддитивными.

Например, теплопроводностью шихты

- относительная масса и средний коэффициент теплопроводности ломов, флюсов, чугуна. Аналогично определяют с,ρ,а

– безразмерный критерий массы,

Задача для одномерной пластины, ,

tм – средняя по массе

Расчет процессов плавления

При подаче в ванну твердого материала выделяют периоды: тепловой (образование плавления на поверхности тела слоя, затвердевание расплава) и период плавления.

T₁- тв. материала

Ткр- – кристаллизация

Т₂ – расплава (жидкой фазы)

ζ – толщина затвердевшего слоя

R₀ – полутолщина тела

а) Задача сводится к решению системы уравнений

Т₂ – температура затвердевания слоя

Задача одномерная

Теплопроводность в теле:

Теплопроводность в затвердевшем слое

Начальное условие:

Т(х,0)=Т_нач; ζ(0)=0

Граничные условия

L – скрытая теплота кристаллизации

Расчеты показали, что величина затвердевания слоя мала, представлены на номограмме.

б) В практических условиях скорость плавления скрапа пропорциональна количеству скрапа

М – доля массы расплавившегося скрапа в % к моменту времени τ

Кпл – константа скорости плавления скрапа

3. Тепло массоперенос к твердым телам при кипении жидкой ванны.

Из-за барботажа при кипении резко растет α от жидкости к твердым телам, при расчетах используют эмперические зависимости.

4. Тепло и массоперенос через слой металла и шлака. На практике теплоперенос через шлак, используют понятие об эквивалентом коэффициенте теплопередачи через слой.