Технічні науки / Металургія

Усенко Ю.І., Іванов В.І., Радченко Ю.М., Сапов В.Ф.

ПІДВИШЕННЯ ТЕПЛОВОЇ ЕФЕКТИВНОСТІ РОБОТИ КОВПАКОВИХ ЕЛЕКТРОПЕЧЕЙ ТИПУ СГЗ ДЛЯ ВИПАЛЮВАННЯ ДРОТУ МАРКИ БСтОМ

Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ,

Запорізька державна інженерна академія

Як свідчить практика роботи ковпакових двозонних електропечей типу СГЗ нерівномірність розподілу температури за висотою внутрішньої бічної поверхні футеровки нагрівального ковпака циліндрової форми супроводжується значними перепадами температури за висотою стопи бунтів сталевого дроту марки БСтОМ: нагрівання нижнього бунту здійснюється значно повільнішим, ніж верхнього: значення перепаду температури між відповідними точками бунтів сягає 140…160 градусів. Як результат спостерігається зростання тривалості періоду нагрівання бунтів дроту, що призводить до підвищеної витрати електроенергії у ковпакових електропечах, а також до неоднорідності якісних показників дроту за бунтами стопи. Окрім того, потужність нагрівальних елементів верхньої зони ковпака використовується лише на 60…65 %.

Під час вивчення особливостей зовнішнього теплообміну в робочому обсязі печей даного типу за різних варіантів розміщення джерел теплової енергії за висотою нагрівального ковпака використовували метод електротеплового моделювання, що реалізували на сітковій моделі електроінтегратора ЕІ-12.

В процесі експериментів на моделі виявили, що значення перепаду потужності нагрівальних елементів за висотою робочого обсягу ковпакової електропечі, коли забезпечується рівномірне підведення теплової енергії до зовнішньої бічної поверхні стопи бунтів сталевого дроту, зростає під час підвищення температури футеровки внутрішньої бічної поверхні нагрівального ковпака, а також зменшення температури стенду печі та залежить від величини її встановленої потужності. Під час збільшення її значення рівень перепаду потужності у верхній частині робочого обсягу печі зменшується, а у нижній частині робочого обсягу - зростає. Відносні втрати теплової енергії у печі даного типу знижуються під час збільшення величини її встановленої потужності, а також зменшення максимальної температури нагрівання металу та нерівномірності поля температури за висотою футеровки нагрівального ковпака.

Далі визначали раціональне розміщення встановленої потужності, коли нагрівання зовнішньої бічної поверхні бунтів дроту марки БСтОМ здійснюється з мінімальною за висотою стопи нерівномірністю.

Як дозволили встановити результати проведених досліджень, для забезпечення рівномірного нагрівання зовнішньої поверхні бунтів зазначеного дроту необхідно:

- підвищити встановлену потужність нижньої зони нагрівального ковпака печі до 92,5 кВт і розподілити її між i-ми кільцевими поясами нагрівачів опору згідно рівнянню:

× P_н (1)

де Р_i, Р_н - потужність першої зони нагрівального ковпака та i-го кільцевого поясу нагрівачів відповідно; e_i - відносна висота розміщення i-го кільцевого поясу нагрівачів, e_i = h_i/H_н; Н_н - висота нижньої зони нагрівального ковпака.

- понизити встановлену потужність верхньої зони нагрівального ковпака до 75 кВт без перерозподілу між її окремими нагрівачами.

Випробування електропечі типу СГЗ з модернізованим нагрівальним ковпаком показали, що запропонований варіант розподілу потужності за його висотою максимально наближається до раціонального: зафіксовано суттєве вирівнювання поля температури в її робочому обсязі, а, отже, і в стопі відпалюваних бунтів дроту. Так, наприкінці періоду нагрівання величина максимального градієнта температури за висотою стопи бунтів знижується для зовнішніх витків дроту від 80…90 (за базовим варіантом через 14,5 годин нагрівання) до 5. 10 градусів, для внутрішніх витків - від 100…110 до 30….40 градусів. Проте швидкість підйому температури внутрішніх витків дроту всіх бунтів обмежується наявністю суттєвого температурного перепаду за перерізом стопи, значення якого наприкінці періоду нагрівання залишається достатньо значним (70…80 градусів).

У зв'язку з цим проводили детальний аналіз формування полів температури в бунтах, що нагрівали. Здійснювали математичне моделювання досліджуваного процесу. При цьому вирішували вісесиметричну одновимірну задачу нестаціонарної теплопровідності для порожнистого циліндра

(2)

за краєвих умов процесу

(3)

; (4)

. (5)

де с(Т), r(Т) - питома теплоємність і щільність металу відповідно; l(Т) - коефіцієнт теплопровідності сталі; r, t - просторова та часова змінні відповідно; Т_н, Т_к, Т_м - температура нагрівачів опору, футеровки нагрівального ковпака та металу; Т_п,0 - температура зовнішньої поверхні бунту; DТ₀ = T(R₂,0) - T(R₁,0); R₁, R₂ - внутрішній і зовнішній радіуси бунту; w = R₁/R₂; - коефіцієнти тепловіддачі випромінюванням у системах «нагрівачі-метал» і «кладка-метал».

Внаслідок нелінійності сформульованої задачі (3)…(6) її вирішення здійснювали кінцево-різницевим методом за допомогою ПЕОМ з автоматичним вибором кроку за часом. У алгоритмі розрахунку передбачали спостереження за кривою змінювання температури в кожному вузлі сіткової області та виконання контролю завершення нагрівання металу шляхом зіставлення набутого значення перепаду температури за перерізом бунтів наприкінці даного періоду з його припустимою за умовами технології величиною.

В процесі подальших розрахункових досліджень на ПЕОМ здійснювали пошук раціональних температурно-часових параметрів процесу нагрівання бунтів дроту зі сталі БСтОМ, під час реалізації якого забезпечується, разом з високою якістю термічної обробки, достатньо висока швидкість нагрівання.

Результати досліджень на моделі дозволили визначити температурні режими печі, а також час нагрівання, необхідний для швидкісного підйому температури із збереженням рівня якісних показників дроту. Найбільш переважними є триступінчатий і двохступінчатий температурно-часові режими відпалювання дроту.

Встановлено, що під час відпалювання за пропонованими режимами досліджуваний дріт набував необхідного рівня пластичних і механічних властивостей, який задовольняє вимогам стандарту. Були зафіксовані практично однакові середні значення якісних показників дроту для обох варіантів відпалювання.

Двохступінчатий режим відрізняється простотою реалізації, що дозволило рекомендувати його для впровадження на ковпакових електропечах типу СГЗ. Зафіксована задана якість термічної обробки всього сортаменту дроту марки БСтОМ із одночасним підвищенням продуктивності даних теплових агрегатів та зниженням питомої витрати електроенергії.