Совершенствование тепловых процессов с целью повышения качества обжига заготовок из углеродистых материалов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.02, кандидат технических наук Шибалов, Сергей Николаевич

• Шибалов, Сергей Николаевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Шибалов, Сергей Николаевич

Глава 1. Состояние вопроса и цели исследования тепловых процессов при производстве изделий на основе углеграфитовых материалов.

1.1. Основные технологические операции производства изделий из углеграфитовых материалов.

1.2. Основные физические и физико-химические процессы при обжиге углеграфитовых материалов.

1.3. Анализ тепловых процессов в промышленных печах для обжига углеграфитовых заготовок.-----------------------------------------------------—

1.3.1. Анализ тепловых процессов в туннельных обжиговых печах и их конструкции.

1.3.2. Анализ тепловых процессов в многокамерных обжиговых печах и их конструкции.—

1.3.3. Анализ тепловых процессов в обжиговых печах периодического действия и их конструкции.

1.4. Особенности теплопередачи через слой сыпучих материалов к поверхности подвергаемых обжигу заготовок из углеграфитовых материалов.

1.5. Выбор метода исследования тепловых процессов, протекающих при обжиге углеграфитовых заготовок.

Глава 2. Экспериментальное исследование тепловых процессов в печах для обжига заготовок из углеграфитовых материалов.

2.1. Выбор объекта экспериментального исследования тепловых процессов в печах для обжига углеграфитовых заготовок.

2.2. Описание конструкции выбранной для экспериментального исследования обжиговой печи.

2.3. Цель экспериментального исследования.

2.4. Методика проведения эксперимента.

2.5. Результаты экспериментального исследования тепловых процессов в шахтной печи для обжига углеграфитовых заготовок.

2.6. Анализ результатов экспериментального исследования тепловых процессов в шахтной печи для обжига углеграфитовых заготовок.

2.7 Оценка погрешностей измерений физических величин, полученных в процессе проведения эксперимента.

2.8. Выводы по главе 2.

Глава 3. Математическое моделирование тепловых процессов в шахтной печи для обжига заготовок на основе углеграфитовых материалов.

3.1. Цели создания математической модели тепловых процессов в обжиговой печи и общие принципы ее построения.

3.1.1 Постановка и алгоритм решения задачи внешнего теплообмена в процессе нагрева заготовок в контейнере.

3.1.2 Постановка и алгоритм решения задачи внутреннего теплообмена в процессе нагрева заготовок в контейнере.

3.2. Результаты вычислительных экспериментов и проверка их достоверности.

3.3 Выводы по главе 3.

Глава 4. Применение метода математического моделирования для разработки предложений по совершенствованию системы управления тепловым режимом и модернизации конструкции шахтной печи для обжига углеграфитовых

4.1. Применение математического моделирования для разработки предложений по совершенствованию тепловых режимов обжига заготовок.

4.1.1. Использование математической модели для анализа влияния условий сжигания топлива на температурный режим работы обжиговой шахтной печи.

4.1.2. Применение математической модели для разработки рекомендаций по управлению тепловыми режимами печей для обжига углеграфитовых заготовок.

4.1.3. Применение математической модели для оценки погрешностей регулирования температурного режима печей для обжига углеграфитовых заготовок по косвенным данным.

4.2. Применение математического моделирования для разработки предложений по модернизации шахтной печи для обжига углеграфитовых заготовок.

4.3. Использование результатов вычислительных экспериментов для решения технологических задач обжига углеграфитовых заготовок.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование тепловых процессов с целью повышения качества обжига заготовок из углеродистых материалов»

Материалы и изделия на основе углеграфитов находят все более широкое применение в промышленном производстве многих технически развитых стран. За последние годы значительно расширился их ассортимент и области применения. В настоящее время изделия из углеграфитовых материалов нашли применение в таких отраслях промышленности как металлургия, химия и нефтехимия, энергетика, машиностроение. Без таких материалов невозможно дальнейшее развитие атомной энергетики, электротехнической промышленности, самолето и ракетостроения.

Все виды применяемых в промышленности углеграфитовых материалов принято разделять на семь классов: 1) электродные изделия; 2) огнеупорные изделия; 3) химически стойкие изделия: 4) электроугольные изделия: 5) антифрикционные изделия 6) графити-рованные блоки и детали для атомной энергетики; 7) электродные массы [1].

Такое широкое применение материалов данного типа объясняется сочетанием достаточно уникальных физических (часто взаимоисключающих друг друга) и эксплуатационных свойств, присущих одному материалу - графиту. Структура графита такова, что материалы на его основе обладает анизотропией физических, теплофизических и механических свойств. В зависимости от способов обработки исходного материала и технологических приемов производства могут быть получены изделия с заранее заданными (в зависимости от назначения) свойствами.

Большинство графитовых материалов, встречающихся в природе, хотя и обладают необходимыми физическими свойствами, не отвечают требованиям потребителей (например, по размерам отдельных блоков, включениям инородных тел и т.д.) и поэтому не могут быть непосредственно использованы для изготовления большинства применяемых в промышленности изделий. В настоящее время практически все виды продукции, изготавливаемые из материалов на основе углеграфитов, представляют собой искусственные графиты [1,2].

Такие материалы обладают либо высокой, либо низкой электропроводностью и теплопроводностью, высокой химической и коррозионной стойкостью, высокой огнеупорностью, низким коэффициентом теплового расширения и стойкостью к резким сменам температуры, причем в очень широком диапазоне температур. Это позволяет применять данные материалы в нагревательных устройствах и в холодильных агрегатах. Они обладают высокой адсорбционной способностью, значительной прочностью и уникальными антифрикционными свойствами. С помощью механической обработки им может быть придана практически любая форма. Без материалов такого типа невозможно было бы развитие некоторых отраслей промышленности, таких, например, как атомная энергетика.

Основные технологические мероприятия по производству изделий на основе угле-графитов были разработаны и осуществлены в промышленных масштабах в восьмидесятых годах девятнадцатого столетия. Несмотря на то, что со времени их разработки прошло более ста лет, технологические приемы и их последовательность остались практически без изменения, хотя они и осуществляются на более современном оборудовании с применением более совершенной контрольно-измерительной и регулирующей аппаратуры [3]. Производство углеграфитовых изделий представляет собой длительный, многостадийный процесс, требующий существенных затрат энергии.

В настоящее время совершенствование существующих изделий и внедрение в производство новых материалов сдерживается как соображениями экономического порядка, так и техническими возможностями используемых в промышленности агрегатов. Поэтому совершенствование методов и способов изготовления углеграфитовых изделий является актуальной проблемой, имеющей большое практическое значение.

Следует также отметить, что производство углеграфитов связано с образованием значительного количества летучих веществ различного типа, выделяющихся в процессе тепловой обработки изделий. Эти продукты пиролиза являются не только опасными с экологической точки зрения, но и обладают значительными энергетическими возможностями. Поэтому разработка методов их утилизации также должна является одним из важнейших направлений совершенствования применяемых в производстве теплотехнических агрегатов.

С учетом вышеизложенного основной целью настоящей работы является развитие подхода к анализу тепловых процессов при производстве углеграфитовых изделий. Результаты такого анализа должны создать основы для совершенствования конструкций и тепловых режимов печей, применяемых в технологическом цикле получения изделий на основе углеграфитов с требуемыми свойствами.

Заключение диссертации по теме «Металлургия черных, цветных и редких металлов», Шибалов, Сергей Николаевич

выводы:

- в соответствии с классификацией печей теплообменников по лимитирующему звену процесса переноса тепла от ЗГТ к ЗТП печи для обжига углеграфитовых заготовок можно выделить в отдельную группу, а тепловой режим их работы может быть назван кондуктивным (или режимом теплопроводности);

- используемые в промышленности печи для обжига углеграфитовых заготовок имеют ограниченные возможности по обеспечению максимально допустимых перепадов температур по объему заготовок;

- в соответствии с положениями общей теорией тепловой работы печей выводы и рекомендации по модернизации конструкции печи и системы сжигания топлива, рекомендации по осуществлению температурных режимов обжига и способы их регулирования, разработанные для одной печи (в данной работе для топливной шахтной печи периодического действия) вполне справедливы для печей непрерывного действия (туннельных печей) и квазинепрерывного действия (камерных печей);

- при разработке математических моделей тепловых процессов в печах с кондуктивным режимом работы для описания процессов переноса тепла от ЗГТ к поверхности контейнера можно использовать упрощенные модели радиационно-конвективного теплообмена, модель представленная в данной работе может быть использована в качестве основы для описания тепловых процессов печах непрерывного и квазинепрерывного действия.

Математическая модель принята специалистами ФГУП «НИИграфит» для разработки технологических карт — инструкций по проведению процесса обжига заготовок на основе углеграфитов, а рекомендации по изменению ее конструкции приняты в качестве основы проекта по реконструкции топливной шахтной печи.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Производство изделий на основе искусственных графитов представляет собой многостадийный процесс, в котором термическая обработка углеграфитовых заготовок занимает одно из наиболее важных мест. Термическая обработка включает в себя две последовательно проводимые операции - обжиг заготовок и их графитацию. Качество готовой продукции из искусственных графитов в значительной степени определяется условиями проведения процесса обжига, так как именно на этой стадии формируется основа кристаллической структуры заготовок. Структура и свойства углеграфитовых заготовок зависят от двух основных технологических факторов - скорости и равномерности их нагрева. Одной из особенностей осуществления процесса обжига углеграфитовых материалов является его проведение в специальных засыпках.

Анализ данных о тепловых процессах в промышленных печах для обжига углеграфитовых заготовок и полученные в работе экспериментальные данные показали, что равномерность и скорость нагрева заготовок в засыпных садках с заготовками определяются значениями теплового сопротивления засыпного слоя и внешнего теплового сопротивления. Расчет изменения отношения теплового сопротивления засыпного слоя и внешнего по отношению к засыпке теплового сопротивления показал, что на протяжении всего процесса обжига лимитирующим звеном теплопередачи от зоны генерации тепла (ЗГТ) к зоне (заготовкам) технологического процесса (ЗТП) является перенос тепла через засыпку.

Для исследования влияния различных технологических и конструктивных факторов на тепловые процессы в обжиговых печах использовали метод математического моделирования.

С целью получения данных для адаптации математической модели и проверке достоверности результатов вычислительных экспериментов в рамках данной работы было проведено обоснование выбора объекта экспериментального исследования и изучен процесс обжига углеграфитовых заготовок в шахтной топливной печи ФГУП «НИИграфит».

Математическая модель, представленная в настоящей работе, основана на решении задачи сопряженного теплообмена в рабочем пространстве шахтной печи для обжига углеграфитовых заготовок. Модель основана на решении уравнений радиационно - конвективного теплообмена в системе газ - футеровка - контейнер и уравнений теплопроводности для областей засыпки и заготовок в контейнере и кладки рабочей камеры печи. Она учитывает изменение теплофизических свойств материала заготовок, материала засыпки, материала футеровки в процессе нагрева, а также затраты тепла на эндотермические реакции, протекающие при обжиге.

Проведенные вычислительные эксперименты показали, что:

- применяемая на исследованной обжиговой печи система отопления не позволяет осуществить необходимый по технологии температурный режим обжига углеграфитовых заготовок без организации искусственного недожога топлива, а генерация тепла без недожога приведет к существенному увеличению времени процесса обжига и увеличению расхода топлива;

- рациональный режим тепловой работы обжиговых печей обусловлен способом размещения заготовок в засыпке;

- тепло, аккумулированное футеровкой рабочей камерой печи, может играть как положительную, так и отрицательную роль (способствовать исправлению ошибок ручного регулирования в течение начальных периодов обжига или препятствовать их исправлению в течение периодов ускоренного нагрева и выдержки).

Путем математического моделирования тепловых процессов в рабочей камере печи был решен ряд технологических задач обжига:

- определено оптимальное расположение заготовок в контейнере с засыпкой и разработан рациональный тепловой режим проведения их обжига;

- разработаны рекомендации по управлению тепловыми режимами обжига;

- проведена оценка погрешностей регулирования температурного режима обжига по косвенным данным;

- определены возможности исследованной печи по обеспечению минимальных перепадов температур по объему заготовок и разработаны рекомендации по модернизации конструкции печи и системы сжигания топлива.

Анализ полученных в работе результатов позволяет сделать следующие основные

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Шибалов, Сергей Николаевич, 2004 год

1. Островский B.C., Виргильев Ю.С., Костиков В.И., Шипков Н.Н. Искусственный графит. - М.: Металлургия, 1986, - с. 272.

2. Веселовский B.C. Углеродные и графитовые конструкционные материалы. М.: -Наука, 1966, с. 243.

3. Чалых Е.Ф. Технология и оборудование электродных и электроугольных предприятий. - М.: Металлургия, 1972,- с. 432.

4. Свойства конструкционных материалов на основе углерода. Справочник./Под ред. Со-седова В.П. — М.: Металлургия, 1975, с. 335.

5. Чернявец А.Н. Технология изготовления крупногабаритных графитов и методы контроля их качества. Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук. - М.: 1998, с. 293.

6. Чалых Е.Ф. — Производство электродов. М.: Металлургия, 1954, с. 328.

7. Чалых Е.Ф. Технология углеграфитовых материалов. - М.: Металлургия, 1963, - с. 358.

8. Виргильев Ю.С. О хрупком разрушении графита. //В сб.: Конструкционные материалы на основе графита. - М.: Металлургия. - 1972, № 7, с. 52 - 58.

9. Лутков А.И., Тканова О.В., Большаков Ю.Л. Определение термонапряжений и оптимизация обжига углеродных заготовок. - М.: Цветные металлы, 1990, № 9, с. 62 - 65.

10. Кривандин В.А., Арутюнов В.А. и др. Металлургическая теплотехника, т.1 - М.: Металлургия, 1986, с. 424.

11. Шульц J1.A. Повышение эффективности использования природного газа в методических печах. // Изв. Вузов, Черная Металлургия, № 7,2002, с. 64 - 69.

12. Авдеева А.А. Контроль сжигания газообразного топлива. - М.: Энергия, 1971, с. 256.

13. Кривандин В.А.- Светящееся пламя природного газа. М.: Металлургия, 1973, с. 136.

14. Глинков М.А., Глинков Г.М. Общая теория тепловой работы печей. - М.: Металлургия, 1990, с. 231.

15. Дульнев Г.Н., Заричняк Ю.П. Теплопроводность смесей и композиционных материалов. - М.: Энергия, 1974, с. 264.

16. Лиляков А.С. — Расчет коэффициента теплопроводности сухого, сыпучего, зернистого материала. — Сб. Известия Томского политехнического института., т. 110, 1962, с. 34 -42.

17. Васильев J1.J1., Фрайман Ю.Е. Теплофизические свойства плохих проводников тепла. - Минск.: Наука и техника, 1967, с. 176.

18. Прасолов Р.С. К расчету теплового сопротивления зоны контакта твердых тел. - М.: Атомная энергия, т. 24,1968, вып. 1, с. 86-87.

19. Рид Р., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей, - J1.: Химия, 1971, с. 702.

20. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. - М.: Наука, 1964, с. 588.

21. Чудновский А.Ф. Теплофизические характеристики дисперсных материалов. - М.:, Физматгиз, 1962, с. 171.

22. Каганер М.Г. Тепловая изоляция в технике низких температур. - М.: Машиностроение, 1966, с. 275.

23. Luikov A.V., Wassiljev L.L., Freiman J.E., Shashcov A.G. Thermal conductivity of porous sistems. - Int. journal of heat and mass transfer. - vol. 11, 1968. pp. 117 - 140.

24. Мень A.A., Сергеев O.A. Лучисто - кондукгивный теплообмен в среде с селективными оптическими свойствами. - ТВТ, т.9, 1971, вып. 2, с. 353 -355.

25. Михайлов В.Н. Исследование теплопроводности и электропроводности дисперсных углеродных материалов при высоких температурах. - Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. - М.: ОНТИ НИИграфит, 1980, 21 с.

26. Никитин B.C., Забродский С.С., Антонишин Н.В. О теплообмене излучением в засыпках дисперсного материала. - М.: Инженерно - физический журнал, т. 15, № 4, 1969, с. 726-730.

27. Никитин B.C., Антонишин Н.В. О переносе тепла в засыпках дисперсного материала. - М.: Инженерно - физический журнал, т. 17, №2, 1969, с. 248 - 253.

28. Абагабов С.Г. Влияние шероховатости поверхности твердого тела на его радиационные свойства и методы их экспериментального определения. М.: Теплофизика высоких температур, 1971, т. 9, № 3, с. 522 - 530.

29. Никитин B.C., Забродский С.С., Антонишин Н.В. О теплопроводности засыпок дисперсного материала в различных газовых средах при повышенных температурах. -Минск.: Известия АН БССР, Серия физико - энергетическая, № 2, 1968, с. 51-53.

30. Абзалов Ю.М., Невский А.С. Экспериментальное исследование по определению эффективных коэффициентов теплопроводности слоя шихты. - М.: Инженерно - физический журнал, 1970, т. 19, « 1, с. 42-46.

31. Невский А.С., Абзалов Ю.М. Перенос энергии излучением в кусковом слое. - М.: Инженерно - физический журнал, 1971, т. 20, № 5, с. 796 - 801.

32. Филимонов Ю.П., Громова Н.С. Топливо и печи. - М.: Металлургия, 1987, с. 320.

33. Бухмиров В.В. Разработка и использование математических моделей для решения актуальных теплотехнических задач металлургического производства. - Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технический наук.- М.: 1998, с. 29.

34. Кривандин В.А., Марков Б.А., Металлургические печи. - М.: Металлургия, 1977, с. 464.

35. Блинов О.М., Беленький A.M., Бердышев В.Ф. Теплотехнические измерения и приборы. - М.: Металлургия, 1993, с. 289.

36. Расчет нагревательных и термических печей. Справочник / Под ред.Тымчака В.М. , Гусовского B.J1. М.: Металлургия, 1983, с. 481.

37. Маковский В.А. Лавреитик И.И. Алгоритм управления нагревательными печами. -М.: Металлургия, 1977, с. 185.

38. Бухмиров В.В., Крупенников С.А. Упрощенный зональный метод расчета радиационного теплообмена в поглощающей и излучающей среде // Изв. вузов. Черная металлургия. 1999, №1, С. 68-70.

39. Бухмиров В.В., Крупенников С.А. Оценка погрешности упрощенного метода расчета радиационного теплообмена// Изв. вузов. Черная металлургия. 1999, №4, С. 75-76.

40. Крупенников С.А. Решение сопряженной задачи теплообмена в нагревательной печи // Изв. вузов. Черная металлургия. 1991, №9, с. 91-93.

41. Блох А.Г., Журавлев Ю.А., Рыжков JI.H. Теплообмен излучением. Справочник - М.: Энергоатомиздат, 1991,с.432.

42. Арутюнов В.А., Бухмиров В.В., Крупенников С.А. Математическое моделирование тепловой работы промышленных печей. М.: Металлургия, 1990, с. 239.

43. Физические величины. Справочник / Под ред. И.С. Григорьева. М.: Энергоатомиздат, 1991.- 1232 с.

44. Самарский А.А. Теория разностных систем. - М.: Наука, 1989, с. 616.

45. Годунов С.К., Рябенький B.C. Разностные системы. - М.: Наука 1977, с. 439.

46. Глинков М.А., Коганов В.Ю., Энекеш Ш. и др. Импульсное отопление нагревательных колодцев // Сталь. 1973, № 2, с. 171 - 173.