CC BY
125
ЭНЕРГЕТИКА И ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
УДК 669.046:536.7
Е.М. Запольская, М.В. Темлянцев, К.Е. Костюченко
Сибирский государственный индустриальный университет
ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ И ЕМКОСТИ СТАЛЕРАЗЛИВОЧНЫХ КОВШЕЙ НА ТЕПЛОВУЮ ЭФФЕКТИВНОСТЬ СТЕНДОВ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОГО РАЗОГРЕВА
Перед приемом жидкого металла просушенную футеровку сталеразливочных ковшей подвергают разогреву, который преследует две основные цели: снижение скорости охлаждения жидкой стали вследствие аккумуляции тепла кладкой и уменьшение интенсивности теплового удара, который испытывают огнеупоры при разливке расплава. Наибольшее распространение получил высокотемпературный разогрев футеровки до 1100 - 1200 °С, для осуществления которого применяют в основном стенды, отапливаемые природным газом [1].
В настоящее время в эксплуатации находится значительное количество сталеразливочных ковшей, отличающихся геометрическими размерами и емкостью. Наиболее крупные производители стали, имеющие в своем составе конвертерные и электросталеплавильные цеха, используют в основном сталеразливочные ковши средней (70 - 220 т) и большой (220 - 480 т) емкости [2].
В условиях конкурентной борьбы металлургических предприятий за снижение себестоимости выпускаемой продукции актуальным и перспективным является повышение тепловой эффективности работы стендов, внедрение энерго- и ресурсосберегающих технологий, направленных на экономию топлива и повышение стойкости футеровок. В связи с этим практический интерес представляет исследование влияния геометрических размеров и емкости ковша на тепловую эффективность работы стендов.
В настоящей работе на базе комплексной детерминированной математической модели тепловой работы стендов для разогрева футе-ровок сталеразливочных ковшей [3] проведено исследование влияния емкости (геометрических размеров) ковша на технико-экономические показатели работы стенда. Многовариантные расчеты осуществляли на примере разогрева сталеразливочных ковшей номинальной емкостью Е, равной 90, 130, 220, 350 и 480 т, имеющих геометрические размеры, представленные в табл. 1 [2].
Рабочий слой футеровки выполнен из алю-мопериклазоуглеродистого смолосвязанного огнеупора с содержанием углерода 8 %; арматурный - из огнеупора марки МКРКП-45; между рабочим и арматурным слоями находится буферная засыпка марки ВГБМ-80; теплоизоляционный слой выполнен из материала МКРКГ-400; броня ковша из низколегированной стали.
Принимали, что разогрев футеровки осуществляли на оборудованом теплоизолированной крышкой стенде, отапливаемом природным газом следующего химического состава: 91,50 % СН4; 3,07 % С2Н6; 1,73 % С3Н8; 0,9 % С4Н10; 2,34 % N2; 0,45 % С02; 0,01 % 02. Между крышкой и ковшом предусмотрен технологический зазор Ь, величину которого в расчетах принимали равной 50, 150 и 250 мм. При проведении расчетов коэффициент расхода окислителя принимали равным 1,1, а температуру воздуха, подаваемого на горение, - 10, 200 и 400 °С.
Т а б л и ц а 1
Геометрические размеры сталеразливочных ковшей
Е, т Мш, т Д, мм Д, мм И, мм 51, мм 52, мм 53, мм 54, мм
90 4,2 2767 3189 3180 150 100 10 20
130 4,8 3265 3600 3350 180 110 10 24
220 6,0 3386 3950 4700 190 120 10 25
350 10,0 4015 4750 5250 200 125 10 40
480 14,5 4615 5340 5660 250 150 10 40
П р и м е ч а н и е. Мш - масса шлака; Д и Д - внутренний и наружный диаметры ковша; И - высота
ковша; 51, 5г, 53 и 54 - толщина рабочего, арматурного, теплоизоляционного слоев и кожуха.
В качестве основного расчетного режима приняли разогрев с постоянной, максимально допустимой по условиям трещинообразования скоростью увеличения температуры поверхности рабочего слоя, которая по рекомендациям производителей огнеупоров для алюмоперик-лазоуглеродистых марок находится на уровне 50 - 60 °С/ч. Соответственно время т разогрева предварительно высушенной футеровки приняли 24 ч. Характерный график температурного режима разогрева представлен в работе [4].
При оценке тепловой эффективности работы стендов возникает необходимость в показателе, характеризующем экономичность его работы и отражающем удельные затраты топлива на разогрев, отнесенные к единице массы стали, транспортируемой в ковше. При разработке такого параметра за основу принят удельных расход условного топлива, затрачиваемого на тепловую обработку тонны стали, используемый при оценке экономичности и эффективности тепловой работы металлургических печей [5]. Для стендов разогрева в общем случае удельный расход условного топлива на тонну транспортируемой стали может быть определен по соотношению
400 480
В — О О
уд 29,3 (Е - Мш У
(1)
где 0рн - теплота сгорания топлива (природного газа), МДж/м3; б - суммарный объем газа, затрачиваемого на разогрев, м3.
Если разогрев производится при постоянном расходе топлива, то расчет можно производить по следующему уравнению:
Вт
В — / ч,
уд 29,3 Ее -мш У
(2)
400'480402 Е-т
где В - средний расход топлива за период разогрева, м3/ч.
В табл. 2, 3 и на рис. 1 представлены результаты многовариантных расчетов для 45 различных режимов разогрева сталеразливочных ковшей.
Анализируя полученные данные, можно сделать следующий вывод. Тепловая эффективность и экономичность стендов разогрева зависят прямо пропорционально от емкости сталеразливочных ковшей для всех серий значений температуры подогрева воздуха и величины зазоров между крышкой и ковшом.
Для ковшей емкостью 90 т увеличение температуры подогрева воздуха от 10 до 400 °С в комплексе с уменьшением величины зазора
Рис. 1. Зависимость удельного расхода условного топлива от емкости ковша и температуры подогрева воздуха при величине зазора между крышкой и ковшом 50 мм (а), 150 мм (б) и 250 мм (в)
между крышкой и ковшом с 250 до 50 мм приводит к росту КПД стенда с 37,0 до 58,3 % и снижению удельного расхода условного топлива с 40,8 до 26,0 кг у.т./т транспортируемой стали, т.е. почти в 1,6 раза. Для 480-т ковшей аналогичные изменения температуры подогрева воздуха и зазора между крышкой стенда и ковшом приводят к росту КПД стенда с 47,4 до 66,1 % и снижению удельного расхода условного топлива с 23,8 до 17,0 кг у.т./т транспортируемой стали, т.е. в 1,4 раза.
Т а б л и ц а 2
Параметры и характеристики исследуемых режимов нагрева
Е, т Ь, мм п О г О о ¿п.кон, °С / °С ‘•р-а? 4ож, °С -л а В, м3/ч КПД, %
90 50 400 1195 1059 306 1747 72,8 58,3
150 400 1914 79,8 53,2
250 400 2129 88,7 47,8
50 200 1980 82,5 51,4
150 200 2172 90,5 46,9
250 200 2419 100,8 42,1
50 10 2244 93,5 45,4
150 10 2464 102,7 41,3
250 10 2749 114,5 37,0
130 50 400 1189 1020 300 2400 100,0 60,1
150 400 2576 107,3 56,0
250 400 2800 116,7 51,5
50 200 2721 113,4 53,0
150 200 2923 121,8 49,4
250 200 3181 132,5 45,4
50 10 3084 128,5 46,8
150 10 3316 138,2 43,5
250 10 3612 150,5 40,0
220 50 400 1189 1001 287 3395 141,5 61,9
150 400 3585 149,4 58,6
250 400 3825 159,4 54,9
50 200 3849 160,4 54,6
150 200 4067 169,4 51,7
250 200 4343 181,0 48,4
50 10 4360 181,7 48,2
150 10 4611 192,1 45,6
250 10 4929 205,4 42,6
350 50 400 1193 989 248 4548 189,5 64,5
150 400 4773 198,9 61,4
250 400 5056 210,7 58,0
50 200 5154 214,8 56,9
150 200 5413 225,5 54,2
250 200 5739 239,1 61,1
50 10 5839 243,3 50,2
150 10 6137 255,7 47,8
250 10 6511 271,3 45,0
50 400 6231 259,6 66,1
150 400 6463 269,3 63,7
250 400 6749 281,2 61,0
50 200 7063 294,3 58,3
480 150 200 1183 906 198 7330 305,4 56,2
250 200 7659 319,1 53,8
50 10 8003 333,5 51,5
150 10 8310 346,3 49,6
250 10 8689 362,0 47,4
П р и м е ч а н и е. /подг, /п.кон, Ц-а, 4ож - температуры подогрева воздуха, поверхности футеровки в конце разогрева, на стыке рабочего и арматурного слоев, кожуха ковша.
Т а б л и ц а 3
Тепловой баланс стендов для исследуемых вариантов нагрева
Е, т ъ, мм ^под^ °С Qок, % ч® о% Qтеп, % Qд, % Qн.п, % Qиз, % Q¡x.ф, %
всего в том числе по слоям
раб. арм. теп. кож.
90 50 400 83,4 13,7 2,9 8,8 33,6 6,8 1,8 49,0 31,7 15,0 0,2 2,1
150 83,6 13,8 2,6 8,1 34,3 6,7 6,1 44,8 29,0 13,8 0,1 1,9
250 83,8 13,8 2,4 7,3 35,0 6,6 10,7 40,4 26,2 12,4 0,1 1,7
50 200 90,1 7,1 2,8 8,4 36,5 6,6 1,7 46,7 30,3 14,3 0,1 2,0
150 90,3 7,1 2,5 7,7 37,2 6,5 5,8 42,7 27,7 13,1 0,1 1,8
250 90,6 7,1 2,3 6,9 38,0 6,5 10,2 38,5 25,0 11,8 0,1 1,6
50 10 97,4 - 2,6 8,0 39,6 6,4 1,6 44,4 28,8 13,6 0,1 1,9
150 97,6 - 2,4 7,3 40,3 6,3 5,5 40,6 26,3 12,5 0,1 1,7
250 97,9 - 2,1 6,5 41,1 6,3 9,6 36,5 23,7 11,2 0,1 1,5
130 50 400 83,7 13,8 2,5 7,2 33,9 6,7 1,4 50,7 34,0 14,3 0,2 2,2
150 83,8 13,8 2,4 6,7 34,4 6,7 4,8 47,3 31,8 13,3 0,1 2,1
250 84,0 13,8 2,2 6,2 34,9 6,4 8,5 43,6 29,3 12,3 0,1 1,9
50 200 90,4 7,1 2,4 6,9 36,8 6,6 1,4 48,4 32,5 13,6 0,2 2,1
150 90,6 7,1 2,3 6,4 37,4 6,5 4,6 45,1 30,4 12,7 0,1 1,9
250 90,7 7,1 2,1 5,9 38,0 6,5 8,1 41,6 28,0 11,7 0,1 1,8
50 10 97,8 - 2,3 6,5 39,8 6,4 1,3 46,0 30,9 13,0 0,1 2,0
150 97,9 - 2,1 6,1 40,4 6,3 4,4 42,8 28,8 12,1 0,1 1,8
250 98,0 - 2,0 5,6 41,1 6,3 7,7 39,4 26,5 11,1 0,1 1,7
220 50 400 83,5 13,8 2,7 6,2 33,7 6,7 1,1 52,1 35,0 14,8 0,2 2,1
150 83,6 13,8 2,6 5,9 34,1 6,7 3,7 49,4 33,3 13,9 0,2 2,0
250 83,8 13,8 2,4 5,6 34,6 6,7 6,7 46,4 31,2 13,1 0,1 2,0
50 200 90,3 7,1 2,6 6,0 36,7 6,6 1,0 49,8 33,6 14,0 0,2 2,0
150 90,4 7,1 2,4 5,6 37,1 6,5 3,6 47,2 31,8 13,4 0,1 1,9
250 90,6 7,1 2,3 5,3 37,6 6,5 6,4 44,2 29,8 12,5 0,1 1,8
50 10 97,6 - 2,4 5,7 39,7 6,4 1,0 47,3 31,9 13,4 0,1 1,9
150 97,7 - 2,3 5,4 40,1 6,4 3,4 44,8 30,2 12,7 0,1 1,8
250 97,8 - 2,2 5,0 40,6 6,3 6,1 42,0 28,3 11,9 0,1 1,7
350 50 400 83,5 13,8 2,7 4,2 33,7 6,8 1,0 54,3 36,5 14,8 0,1 2,9
150 83,6 13,8 2,6 4,0 34,0 6,7 3,4 51,8 34,9 14,0 0,1 2,8
250 83,8 13,8 2,4 3,8 34,4 6,7 6,0 49,0 33,0 13,3 0,1 2,6
50 200 90,3 7,1 2,6 4,0 36,6 6,6 0,9 51,8 34,9 14,0 0,1 2,8
150 90,4 7,1 2,4 3,9 37,0 6,5 3,2 49,4 33,3 13,4 0,1 2,6
250 90,5 7,1 2,3 3,6 37,4 6,5 5,8 46,7 31,4 12,7 0,1 2,5
50 10 97,6 - 2,4 3,8 39,6 6,4 0,9 49,3 33,2 13,4 0,1 2,5
150 97,7 - 2,3 3,7 40,0 6,4 3,0 46,9 31,6 12,7 0,1 2,6
250 97,8 - 2,2 3,5 40,5 6,3 5,5 44,3 29,8 12,0 0,1 2,3
480 50 400 83,8 13,8 2,4 2,7 33,9 6,7 0,8 55,9 39,8 14,0 0,1 2,0
150 83,9 13,8 2,3 2,6 34,2 6,7 2,6 53,9 38,3 13,5 0,1 2,0
250 83,9 13,8 2,2 2,5 34,5 6,7 4,6 51,7 36,8 12,9 0,1 1,9
50 200 90,6 7,1 2,3 2,6 36,8 6,6 0,7 53,3 37,9 13,3 0,1 2,0
150 90,6 7,1 2,2 2,5 37,1 6,5 2,5 51,4 36,6 12,8 0,1 1,9
250 90,7 7,1 2,1 2,4 37,5 6,5 4,4 49,2 35,0 12,3 0,1 1,8
50 10 97,8 - 2,2 2,4 39,9 6,4 0,7 50,6 36,0 12,6 0,1 1,9
150 97,9 - 2,1 2,3 40,2 6,3 2,3 48,8 35,0 12,1 0,1 1,8
250 98,0 - 2,0 2,2 40,5 6,3 4,2 46,7 33,2 11,7 0,1 1,7
П р и м е ч а н и е. Qтх - химическое тепло топлива; Qок - физическое тепло окислителя; Qобх - химическое тепло обезуглероживания огнеупора; Qтеп - потери тепла теплопроводностью через футеровку в окружающую среду; Qд - потери тепла с уходящим дымом; Qн.п - неучтенные потери; Qиз - потери тепла излучением через зазор между крышкой стенда и ковшом; Qак.ф - тепло, аккумулируемое футеровкой (рабочим, арматурным, теплоизоляционным слоями и кожухом).
Характерно, что увеличение температуры подогрева воздуха от 10 до 400 °С для всех исследуемых вариантов приводит к снижению параметра Вуд примерно в 1,3 раза. Уменьшение величины зазора Ъ с 250 до 50 мм для ковшей различной емкости оказывает различный эффект. В частности, для 90-т ковшей снижение Вуд составляет порядка 1,2 раза, а для 480-т - всего 1,08 раза.
Из полученных данных следует, что стенды для разогрева 90-т ковшей по сравнению со стендами разогрева 480-т ковшей имеют фактически в 1,5 - 1,6 раза больший удельный расход условного топлива и соответственно менее экономичны. По удельным расходам условного топлива нагрев 480-т ковша на стенде без подогрева воздуха с зазором Ъ = 250 мм примерно аналогичен разогреву 90-т ковша на стенде с подогревом воздуха до температуры 400 °С и величиной Ъ = 50 мм.
Для установления причин этого явления проведем анализ взаимосвязи геометрических характеристик ковша, тепловых параметров и массы транспортируемой стали. Из данных, представленных в табл. 3, видно, что для ковшей меньшей емкости характерны более высокие потери тепла теплопроводностью через кладку, достигающие для 90-т ковшей 6,5 - 8,8 %, а для 480-т - 2,2 - 2,7 %, и меньший расход тепла на аккумуляцию тепла футеровкой, который составляет 36,5 - 49,0 и 46,7 -55,9 % соответственно. Из табл. 2 видно, что для ковшей малой емкости характерна более высокая температура кожуха, как следствие - более высокие теплопотери теплопроводностью. В то же время важное значение имеют объем (или масса, влияющая на теплосодержание) футеровки и площадь поверхности кожуха, предопределяющая те-плопотери в окружающую среду. На рис. 2 а, б представлены зависимости удельных площади 5уд, м2/т, поверхности кожуха и объема Ууд, м3/т, т.е. отношения площади поверхности кожуха и объема футеровки к номинальной емкости ковша. Видно, что для ковшей исследуемых емкостей удельная площадь снижается в 2 раза, а удельный объем почти не изменяется. В связи с этим, если не принимать во внимание различие теплового состояния футеровок ковшей различной емкости, меньшие значения Вуд для ковшей большей емкости связаны в первую очередь с меньшей удельной площадью поверхности кожуха.
Выводы. На основе проведенных многовариантных расчетов при использовании детерминированной математической модели установлено, что тепловая эффективность и экономичность стендов разогрева зависят прямо пропорционально от емкости сталеразливочных ковшей для всех серий значений температуры подогрева воздуха и зазоров между крышкой и ковшом. Меньшие значения Вуд для ковшей большей емкости связаны в первую очередь с меньшей удельной площадью поверхности кожуха.
0,10____i___i___i___i___
0 100 100 300 400 Е, т
Рис. 2. Изменение удельных площади поверхности кожуха (а) и объема футеровки (б) в зависимости от емкости ковша
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. В и х л е в щ у к В.А., Х а р а х у л а х В.С., Б р о д с к и й С.С. Ковшевая доводка стали. - Днепропетровск: Системные технологии, 2000. - 190 с.
2. С т а р и к о в В.С., Т е м л я н ц е в М.В., С т а р и к о в В.В. Огнеупоры и футеровки в ковшевой металлургии. - М.: Изд-во МИСИС, 2003. - 328 с.
3. М а т в е е в М.В., Т е м л я н ц е в М.В., З а п о л ь с к а я Е.М., К о с т ю ч е н к о К.Е. Разработка математической модели тепловой работы стендов разогрева футе-ровок сталеразливочных ковшей // Сб. науч. тр. Вестник Горно-металлургической секции РАЕН. Отделение металлургии. 2013. Вып. 31. С. 31 - 44.
4. З а п о л ь с к а я Е.М., Т е м л я н ц е в М.В., К о с т ю ч е н к о К.Е. / Анализ основных направлений повышения энерготехнологической эффективности стендов высокотемпературного разогрева футеро-вок сталеразливочных ковшей // Вестник РАЕН (Западно-Сибирское отделение). 2013. Вып. 15. С. 128 - 134.
5. К р и в а н д и н В.А., Е г о р о в А.В. Тепловая работа и конструкции печей черной металлургии. - М.: Металлургия, 1989. -462 с.
© 2013 г. Е.М. Запольская, М.В. Темлянцев,
К.Е. Костюченко Поступила 18 июня 2013 г.
