Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Национальный минерально-сырьевой университет Горный»

На правах рукописи

МАРКУС АНТОН АЛЕКСАНДРОВИЧ

МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В ТРУБЧАТЫХ

ВРАЩАЮЩИХСЯ ПЕЧАХ СПЕКАНИЯ

Специальность 05.16.02 – Металлургия черных, цветных и редких металлов

Диссертация

на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель –

доктор технических наук,

профессор Ю. В. Шариков

Санкт-Петербург - 2014

2

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................ 6

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ

ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ АГРЕГАТАХ ..... 12

1.1 Основные характеристики высокотемпературного металлургического

агрегата на примере трубчатой вращающейся печи спекания ....................... 12

1.2 Основные принципы работы вращающейся печи ..................................... 16

1.3 Новые конструкции футеровки вращающихся печей спекания .............. 18

1.4 Теплоизоляционные материалы, применяемые в технологических

трубопроводах ..................................................................................................... 22

1.5 Современные способы моделирования технологических процессов в

высокотемпературных металлургических агрегатах ...................................... 30

1.5.1 Описание методов математического моделирования ............................ 31

1.5.2 Вероятностный метод ................................................................................ 32

1.5.3 Метод интервального анализа .................................................................. 34

1.5.4 Статическая модель с распределенными параметрами ......................... 35

1.5.5 Область применения математических моделей ...................................... 37

ГЛАВА 2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОБЖИГОВОЙ

ВРАЩАЮЩЕЙСЯ ПЕЧИ ................................................................................. 38

2.1 Уравнения неразрывности ........................................................................... 38

2.2 Баланс массы химических веществ ............................................................. 39

2.3 Тепловой баланс ............................................................................................ 41

3

2.4 Уравнение движения ..................................................................................... 43

2.5 Определение фаз и межфазовых взаимодействий ..................................... 43

2.6 Физико-химические превращения............................................................... 47

2.7 Теплообмен в системе газ – кладка – материал – среда ............................ 50

2.8 Коэффициентная форма представления модели ........................................ 55

2.8.1 Коэффициенты системы уравнений баланса тепла ................................ 55

2.8.2 Коэффициенты системы уравнений неразрывности .............................. 57

2.8.3 Коэффициенты системы уравнений баланса химических веществ ...... 58

2.8.4 Коэффициенты уравнения движения газа ............................................... 59

2.9 Свойства и производные свойств (справочная информация) .................. 60

2.10 Радиационный поток в излучающей и поглощающей среде .................. 64

2.11 Выводы по второй главе ............................................................................. 65

ГЛАВА 3 ОБОБЩЕННАЯ МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ

КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ ................................................ 67

3.1 Разработка обобщённой методики определения коэффициента

теплопроводности теплоизоляционных материалов ....................................... 67

3.2 Выводы по третьей главе ............................................................................. 76

ГЛАВА 4 ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ОГНЕУПОРНЫХ

МАТЕРИАЛОВ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ

АГРЕГАТАХ ........................................................................................................ 77

4.1 Свойства огнеупорных материалов............................................................. 77

4.2 Обработка данных и построение уравнения связи теплопроводности и

теплофизических свойств материала ................................................................ 82

4

4.3 Оценка адекватности уравнения связи теплопроводности и

теплофизических свойств материала ................................................................ 87

4.4 Экспериментальная проверка адекватности зависимостей

теплопроводности от свойств материала и внешних условий ....................... 89

4.5 Выводы по четвертой главе ......................................................................... 97

ГЛАВА 5 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕПЛОИЗОЛЯЦИИ

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ТРУБОПРОВОДОВ .................................................. 98

5.1 Разработка новой конструкции теплоизолированной трубы ................... 98

5.2 Экспериментальная проверка тепловых потоков .................................... 106

5.3 Выводы по пятой главе ............................................................................... 108

ГЛАВА 6 АНАЛИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ АГРЕТАХ С ПОМОЩЬЮ

РАЗРАБОТАННЫХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ............................. 109

6.1 Математическое моделирование тепловых процессов в трубчатой

вращающейся печи спекания ........................................................................... 109

6.1.1 Аэродинамическая модель ...................................................................... 109

6.1.2 Тепловой режим факела .......................................................................... 112

6.1.3 Математическое моделирование теплового режима в трубчатой

вращающейся печи спекания в среде Ansys Fluent ....................................... 114

6.2 Математическое моделирование тепловых процессов во вращающейся

печи спекания .................................................................................................... 128

6.3 Математическое моделирование теплопередачи в агрегатах с

многослойными стенками ................................................................................ 135

6.4 Система контроля температуры футеровки ............................................. 142

5

6.5 Выводы по шестой главе ............................................................................ 147

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................. 148

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ................................................................................ 151

6

ВВЕДЕНИЕ

В мировой металлургической промышленности велико значение

высокотемпературных производственных агрегатов. Эксплуатация этих

производственных объектов связана с использованием значительного количества

топлива или электрической энергии для теплогенерации. Снижение расхода

топлива или электрической энергии – очень важная производственная задача,

которую металлурги начали решать с момента изобретения первых промышленных

печей. Существует несколько основных способов снижения тепловых потерь в

окружающую среду от высокотемпературного агрегата: совершенствование

конструкции теплоизоляции, улучшение технологического режима, использование

тепла основных и побочных продуктов производства в качестве теплоносителей,

совершенствование способов теплогенерации и развитие новых систем

автоматического управления производственным процессом [46, 47].

Повышенные тепловые потери от металлургических агрегатов, кроме

экономических потерь от повышенного расхода теплоносителя, вызывают

значительные проблемы экологического характера. Связаны они в первую очередь

с выбросами продуктов сгорания и горячих газов в окружающую среду.

Высокотемпературные процессы лежат в основе важнейших промышленных

производств: металлов, химических продуктов, строительных и других

материалов. Данные процессы протекают в промышленных печах, в которых

материалам или изделиям придаются заданные свойства конечного продукта или

полупродукта для дальнейшей обработки. Одним из видов металлургических

агрегатов являются трубчатые вращающиеся печи. Они являются универсальными

агрегатами и используются во многих технологических процессах подготовки

металлургического сырья. В цветной металлургии трубчатые печи служат

основными агрегатами для спекания бокситовых и нефелиновых шихт, а также для

кальцинации глинозема, которые в дальнейшем используются в алюминиевой

промышленности [33].

7

Трубчатые вращающиеся печи применяют во многих металлургических

переделах черной и цветной металлургии. Важную роль играют при производстве

алюминия в процессе обжига и спекания шихты. Печи отличаются простотой

конструкции, высокой производительностью, механизацией и автоматизацией

процесса, обеспечивают высокую эффективность использования отходящих газов

[33, 35].

Практическое осуществление обжига и спекания металлургических

концентратов определяется их физико-химическими свойствами, термодинамикой

и кинетикой процессов. При этом на процесс обжига и спекания влияет вся

совокупность названных факторов с их сложными и неоднозначными

взаимосвязями. Обжиг и спекание глинозема являются сложными

многофакторными процессами, сопровождающиеся высокими тепловыми

потерями в окружающую среду [4].

В связи с перечисленным выше возникает необходимость в разработке

трехмерной математической модели трубчатой вращающейся печи, учитывающей

зависимость тепловой диссипации в окружающую среду от параметров

технологического процесса. Особенно важно учесть зависимость теплофизических

свойств шихты, футеровки и газовой фазы от температуры, т.к. в настоящее время

данный подход в моделировании редок. Следующим этапом является

совершенствование конструкции футеровки печи и горелочного устройства для

достижения минимальных тепловых потерь при заданных технологических

параметрах.

Цель работы:

Исследование процессов теплопередачи в трубчатой вращающейся печи для

выбора оптимального теплового режима работы агрегата.

Задачи исследования

1. Математическое описание кинетических и теплофизических процессов,

протекающих в трубчатой вращающейся печи спекания.

8

2. Разработка методики для определения коэффициента теплопроводности

теплоизоляционных материалов.

3. Разработка новой конструкции футеровки агрегата, уменьшающей

тепловую диссипацию энергии в окружающую среду.

4. Разработка математических моделей, описывающих теплофизические

процессы в металлургическом агрегате трубчатая вращающаяся печь.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Для выбора оптимального режима тепловой работы трубчатой

вращающейся печи следует использовать разработанную трехмерную

математическую модель, учитывающую зависимость теплофизических свойств

шихты, футеровки и газовой фазы от температуры.

2. Разработанная конструкция футеровки трубчатой вращающейся печи

позволяет значительно уменьшить тепловую диссипацию от агрегата.

3. Для определения коэффициента теплопроводности любого

теплоизоляционного материала следует использовать разработанную методику,

коэффициент теплопроводности определяется на основании плотности и

пористости материала и теплопроводностью сплошного материала.

Методы исследований.

В процессе работы проводились экспериментальные исследования

теплопередачи с помощью тепловизора модели OPTRIS PI-230 и оптического

пирометра.

Для математического моделирования процессов, протекающих в трубчатой

вращающейся печи, построения модели теплопередачи для трубчатой структуры,

обработки данных – использовались современные компьютерные пакеты

моделирования: ReactOp, MATLAB, COMSOL, Ansys Fluent, SOLIDWORKS.

Научная новизна

1. Показано, что использование новой разработанной конструкции

футеровки трубчатой вращающейся печи позволяет значительно снизить тепловые

потери в окружающую среду. Эффективность подтверждена методами

математического моделирования и экспериментальными наблюдениями.

9

2. Установлено, что для любого теплоизоляционного материала значение

коэффициента теплопроводности можно определить зная его плотность,

пористость и теплопроводность сплошного материала.

3. Разработана трехмерная математическая модель в среде Ansys Fluent,

учитывающая процессы теплопередачи в системе газовая фаза – шихта – футеровка

– окружающая среда в трехмерном пространстве.

4. Установлено влияние аэродинамических характеристик факела на

значения местных коэффициентов теплопередачи от материала и газ к кладке.

Практическая значимость

1. Установлена возможность применения новой конструкции футеровки

трубчатой вращающейся печи, применение данной разработки позволит на

10 – 15 % снизить потери тепла в окружающую среду.

2. Установлена возможность применения на стадии разработки проектной

документации нового расчетного способа определения коэффициента

теплопроводности теплоизоляционного материала, если при этом известны его

плотность, пористость, и теплопроводность сплошного материала.

3. Установлена возможность применения программы для расчета в

диалоговом режиме теплофизических параметров трубчатой вращающейся печи.

4. Научные результаты работы могут быть использованы в учебном процессе

химико-металлургического факультета СПГУ для студентов специальности 220301

«Автоматизация технологических процессов и производств».

Достоверность результатов работы.

Приводимые результаты, выводы и рекомендации являются достоверными

на основании результатов численных расчетов, лабораторных анализов,

экспериментальных и производственных данных. Эффективность предложенных

мероприятий подтверждена в ходе опытно-промышленных испытаний.

Апробация работы.

Содержание и основные положения диссертации докладывались и

обсуждались: на международной научной специализированной конференции в

10

Польше в г. Гливице в 2013 г. в Силезском технологическом институте;

всероссийском молодежном форуме «Нефтегазовое и горное дело» в 2013; научных

семинарах кафедры АТПП в Национальном минерально-сырьевом университете

«Горный» 2011-2014 г.г.

Публикации. Основные положения диссертации в полной мере освещены в

3 печатных работах в журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки России и

1 патенте на изобретение.

1. Стерлигов В.В. Создание обобщенной модели теплопроводности для тел с

анизотропными свойствами / В. В. Стерлигов, А. А. Чекулаев (А.А. Маркус) //

Известия вузов. Черная металлургия. - 2011. - N 8. - С. 45-48.

Личный вклад соискателя заключается в создании методики определения

коэффициента теплопроводности теплоизоляционного материала и написании

программы производящей вычисления.

2. Шариков Ю.В. Математическое моделирование тепловых полей во

фрагменте футеровки вращающейся печи / Ю.В. Шариков, А.А. Маркус //

Металлург. – 2013 - № 12. С. 23-26.

Соискателем было проведено математическое моделирование в пакете Ansys

Fluent, получены термограммы трубчатой вращающейся печи на предприятии ОАО

«Базел-Цемент».

3. Шариков Ю.В. Математическое моделирование тепловых потоков в

трубопроводах и трубчатых объектах. / Ю.В. Шариков, А.А. Маркус // Записки

Горного института. – 2013 - № 202. С. 235 – 238.

Соискателем составлена математическая модель процесса и проведено

решение поставленной задачи в среде Ansys Fluent.

4. Пат. 105709 U1 Российская Федерация, МПК7 F 16 L 59/14.

Теплоизолированная труба / Стерлигов В.В., Чекулаев А.А. (Маркус А.А.);

заявитель и патентообладатель Стерлигов В.В., Чекулаев А.А. –

№ 20101470 17/28 ; заявл. 17.11.2010 ; опубл. 20.06.2011.

11

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического

списка и приложений. Содержит 160 страниц машинописного текста, 60 рисунков,

17 таблиц, 111 источника, указанных в списке литературы.

Огромную благодарность автор выражает научному руководителю проф.,

д.т.н. Шарикову Ю.В., Фирсову А.Ю, Никитенко М.Л. за помощь и поддержку,

оказанную при работе над диссертацией.

12

ГЛАВА 1 СОВРЕМЕННЫЕ СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ

ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ В

ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ АГРЕГАТАХ

Высокотемпературные тепловые процессы основа важнейших

промышленных производств и переделов: получении металлов и химических

продуктов, изготовлении строительных материалов. Процессы осуществляются в

высокотемпературных агрегатах, в которых материалам или изделиям придаются

свойства, необходимые для конечного продукта или требующиеся для дальнейшей

обработки. Высокотемпературные агрегаты представлены промышленными

печами, установками индукционного и плазменного нагрева, котельным

агрегатами, высокотемпературными трубопроводами. Одним из видов

промышленных печей являются трубчатые вращающиеся печи. Они являются

универсальными и используются во многих технологических процессах

подготовки металлургического сырья для плавки [48,49]. В алюминиевой

промышленности трубчатые печи служат основными агрегатами для спекания

бокситовых и нефелиновых шихт, а также для кальцинации глинозема. Печи

просты по устройству и эксплуатации. Значение их и роль очень велика для

цветной металлургии [35].

1.1 Основные характеристики высокотемпературного металлургического

агрегата на примере трубчатой вращающейся печи спекания

Трубчатая вращающаяся печь спекания – это металлургический агрегат,

работающий по принципу противотока в непрерывном режиме. Спек, получаемый

в печи, отправляется в колосниковый или барабанный холодильник для снижения

температуры. Через электрофильтры, батарейные циклоны и пылеосадительные

камеры отсасываются газы из топки. Пыль, которая была уловлена в этой

пылеосадительной системе, с помощью пневмонасоса, отправляется обратно в

нагретый конец печи. Чтобы материал передвигался по барабану печи, ему

придают угол, который составляет 3-4% от длины печи [50].

13

Рассмотрим строение вращающей печи на примере трубчатой вращающейся

печи для обжига шамота [35, 98]. Схема указанной выше печи представлена на

рисунке 1.1.1

Рисунок 1.1.1 – Обжиг шамота, аппаратная схема

Составляющие вращающейся печи: опоры, привод, головка топочная,

корпус, футеровки, уплотнительных частей и термоизоляции. Бандажи

закрепляются на корпусе и опираются на ролики, расположенные на опорных

плитах с помощью роликов. Ролики устанавливаются на стальных плитах, которые

в свою очередь на железобетонных фундаментах. Печь при таком способе

установки будет иметь некоторый наклон в сторону горизонта. Вращение

происходит с помощью шестерни, которая также установлена на корпусе печи.

Выполнения условия жесткости конструкции печи, а также необходимость

компенсации теплового расширения отдельных элементов должно быть

согласованно, что имеет решающее значение сохранности, как футеровки печи, так

и всей металлической конструкции в целом. Если установка печи предполагается

на открытом воздухе, то тут предполагается защита кожухами роликов, привода и

бандажей. Это делается для того, чтобы пыль и атмосферные осадки не попадали

на контактные поверхности агрегата. Корпуса вращающихся печей,

выпускающиеся на машиностроительных заводах, сварены из стандартных

стальных листов [50, 98].

14

Корпус вращающейся печи постоянно испытывает воздействие

срезывающих и изгибающих сил и усилий. Касательные к поверхности корпуса

печи напряжения металла вызываются реакцией опорных роликов и

последовательно распространяются на соседние сечения печи – они достигают

максимального значения в горизонтальном сечении корпуса, а в вертикальном

сечении обращаются в ноль.

Максимальный перегрев и срезывающие усилия корпус печи испытывает в

местах установки бандажей. Именно по той причине у вращающихся печей

соединение отдельных частей корпуса не делают под венцовой шестерней или под

бандажами, а опоры не помещают в зону высокой температуры, так как тогда у

печи быстро разрушается футеровка [65, 62].

В загрузочной части печи к внутренней части корпуса присоединяют с

помощью сварки угольник, а к нему – подпорное кольцо. Это делается для того,

чтобы шихта не переливалась через холодный конец печи. Для увеличения

толщины слоя материала в разгрузочном конце вращающихся печей подпорные

кольца исполняют из огнеупорного кирпича.

Для подачи и удаления кирпича футеровки и ее цепей в корпусе печи

делаются люки на расстоянии примерно 1/3 от ее длины диаметром 600м. Таких

люков делается несколько. Бандажи отливаются их твердой стали и посадку их на

корпус вращающейся печи осуществляют таким образом, чтобы при нагреве печи

не появлялся зазор между ними [50, 98].

Поверхность роликов печи изнашивается намного быстрее чем бандажи, так

как вращаются они намного быстрее, а именно – в четыре раза. Соответственно,

по этой причине ролики погружены в ванну, которая наполнена маслом и водой, и

для увеличения сроков эксплуатации дорогостоящих бандажей их выковывают из

менее твердой стали, или материала одинакового по твердости с материалом

роликов. Ролики устанавливают на общей сварной раме. Нагрузки печей

достигают тысячи тонн.

Во время постоянного усовершенствования вращающихся печей постоянно

уменьшали наклон и увеличивали частоту вращения. Это делалось для поиска

15

наиболее оптимального решения интенсификации теплообмена. Возрастание

частоты вращения печей было на уровне с 1-1,2 до 1,5-2,5 оборотов в минуту.

Уровень наклона же печи сократился с 5-6% до 2-3%. При контроле

электродвигателя и регулирования его частоты вращения появляется возможность

уменьшать частоту вращения печи до двух раз. Это необходимо для регулировки

качества обжига [56].

На корпусе также крепят венцовую шестерню при помощи шарниров,

которые расположены тангенциально или на специальных пластинах, которые

могут располагаться параллельно оси к окружности печи. У печей большого

диаметра шестерня обычно состоит из нескольких частей. Еще одной частью печи

является фрикционный электромагнитный тормоз. Он служит для остановки печи

в любом положении.

Для предохранения стального корпуса печи от воздействий высоких

температур он футеруется. У вращающейся печи футеровка подвергается наиболее

агрессивным внешним воздействиям – постоянному истиранию нагретым и

перемещающимся материалом и колебаниям температур. Когда материал

находится в жидкой фазе, футеровка в данной области покрывается слоем

гарнисажа обжигаемого материала. Во вращающейся печи футеровка постоянно

при каждом обороте подвергается термическому и химическому воздействию.

У печи есть окончания – загрузочный и разгрузочный концы. Загрузочный

конец расположен входящим в камеру, которая соединяет печь с

пылеосадительными устройствами. Разгрузочный же конец входит в

футерованную топочную головку (стационарную или откатную), на которой

размещается горелка, служащая для подачи в печь топлива и воздуха. Также в

местах соединений устанавливают уплотнительные устройства во избежание

подсоса наружного воздуха, что необходимо для оптимального теплообмена и

наиболее эффективной работы самой печи в целом [56].

16

1.2 Основные принципы работы вращающейся печи

Наибольшее влияние на протекание всех важнейших процессов и

транспортную производительность оказывает движение сыпучего материала во

вращающейся печи. Часто встречающийся вариант – определенные движения в

пересыпающемся слое.

На рисунке 1.2.1 представлена основная схема движения материала в печи.

Рисунок 1.2.1 – Движение материала в пересыпающемся слое

В процессе вращения вокруг своей оси в печи на пересыпающийся слой

применяется воздействие двух моментов, возникающих под действием силы

тяжести. Первый – это касательная ОО1 от центра тяжести слоя до центра печи, а

второй – момент, создаваемый силой трения [86] (Рисунок 1.2.1).

Срибнер выяснил, что если при этом угол поворота слоя β1 (и соответственно

угол наклона свободной поверхности слоя к горизонтальной плоскости) окажется

больше угла естественного откоса βс, то поступающий при вращении печи через

свободную поверхность слоя материал начнет ссыпаться [86].

Также, частицы, которые находятся в нижней части ABN слоя, движутся в

направлении вращения печи по траекториям, расположенным в плоскостях,

перпендикулярных к продольной оси печи.

Частицы, которые поступают через неподвижную относительно внешней

системы координат поверхность КB в верхнюю часть КВС1Е слоя, будут ссыпаться

17

вниз. В условиях работы промышленных печей диаметрами 3-7 м, вращающихся

со скоростью 1-3 об/мин, влияние центробежной силы незначительно, и

поверхность KB наклонена к горизонтальной плоскости под углом естественного

откоса βс [86].

Материалы, которые загружаются во вращающуюся печь, в основной своей

массе в сыпучем состоянии. Они постоянно подвергаются воздействию газовых

потоков в печи.

Ходоров Е.И. сделал вывод, что движение газового потока носит

турбулентный характер, и под действием переменных по величине и направлению

вихрей отдельные частицы материала переходят во взвешенное состояние.

Частицы материала поднимаются при скорости восходящего тока газов у

поверхности слоя материала, равной скорости витания частицы. Более крупные из

поднятых частиц осаждаются по длине печи, остальные выносятся из нее газами

[97, 99].

Ходоров Е.И. в соавторстве с Вольперт М.Е., Тимофеевым Г.А. определил,

что зависимости, которые оценивают количество уносимого из вращающейся печи

материала, установлены в результате ограниченного числа исследований работы

промышленных вращающихся печей для обжига различных материалов [95].

Таким образом, в итоге выноса мелких включений в процессе движения

материалов происходит реструктуризация дисперсного состава шихты, а это

крайне сильно влияет на протекание согласованных процессов. В связи с данным

процессом и выносом пыли снижается производительность печи.

Скуратов А.П. и Пьяных А.А. в своем исследовании установили, что

предварительная сушка и подогрев сырья перед прокаливанием позволяют

повысить эффективность работы вращающейся печи: стабилизировать тепловую

работу и увеличить производительность, снизить максимальную температуру в

рабочем пространстве, дать существенную экономию дефицитного мазутного

топлива [64]. Данная выявленная особенность позволяет сократить расходы на

топливо, а также повысить экономическую эффективность работы вращающейся

печи.

18

1.3 Новые конструкции футеровки вращающихся печей спекания

Даже при устойчивом стационарном режиме работы вращающейся печи

футеровка претерпевает значительные колебания температуры. При каждом

соприкосновении с газовым потоком температура футеровки повышается, а при

соприкосновении с материалов – понижается. Колебания амплитуды

температурного режима напрямую зависит от заполнения печи материалом и от

расположения рассматриваемого участка футеровки. Колебания температуры в

зоне спекания составляют от 40 до 100°С. Изменения температурного режима

проникают на глубину 3-4 см, а их число составляет в сутки от 1400 до 4300 раз.

В связи с особенностями строения самого печного агрегата футеровка имеет

небольшую толщину. Это обусловливает большой температурный градиент 50-70

градусов на сантиметр поверхности в огнеупоре при высокой температуре газового

потока. Это приводит к возникновению в нем термических напряжений. Данное

обстоятельство приводит к необходимости использовать огнеупорные материалы с

малой теплопроводностью для футеровки печей.

При малой толщине температурных швов тепломеханические напряжения,

которые испытывает футеровка вращающейся печи, приводят к разрушению

кирпича.

Определим факторы, воздействующие на условия службы футеровки:

вращение корпуса печи, температурный режим футеровки, вибрация, деформации

изгибов и проч. В зависимости от интенсивности того или иного фактора

воздействия на футеровку, она испытывает механические напряжения: сжатие,

растяжение, изгиб. Температурный режим футеровки определяется

расположением факела, его формой, а также видом теплообменных устройств и

применением теплоизоляции.

Можно отметить, что все рассмотренные факторы изнашивания футеровки

одновременно воздействуют на нее, также одни факторы влияют на другие.

Вращающуюся печь необходимо поделить на зоны в соответствии с ходом

19

технологических процессов. Для футеровки отельных зон необходимо применять

различные материалы.

С холодного конца (зона испарения) участок печи не футеруется, на этом

участке под углом 60° расположены отбросные лопасти шириной 300 мм. Затем

печь футеруется алюмосиликатным шамотным огнеупором марки ШЦУ. Здесь на

начальной по ходу материала длине печи, происходит испарение несвязанной

влаги. Температура встречных газов падает. Температура материала поднимается

незначительно (до 180-200°С) вследствие большого расхода на скрытую теплоту

испарения влаги [79, 84, 87].

Износ футеровки зоны спекания приводит к необходимости остановки печи

на ремонт. Данный показатель в огромной степени является определяющим

фактором сроков использования печи и наработки агрегата на отказ. При

проектировании, разработке и выборе вращающейся печи необходимо учитывать

этот фактор и останавливать свой выбор на печах, лучших для данного проекта по

соотношению цена/качество.

На сегодняшний день одним из приоритетных направлений в решении задач

сбережения энергии при эксплуатации тепловых агрегатов, которые требуют

высоких температур. Ю.А. Онасенко, В. В. Песчанская, И. В. Голуб в своей работе

указывают, что применение эффективных видов огнеупоров позволяет снизить

потери тепловой энергии, стабилизировать температурный режим в рабочем

пространстве агрегата и увеличить длительность межремонтных периодов [91].

На текущий момент особой популярностью в различных отраслях

промышленности пользуются печи, которые футеруются огнеупорами различного

типа в зависимости от вида обжигаемого материала. Главной и наиболее

актуальной задачей становится применение и разработка футеровочных

огнеупоров, которые бы обеспечивали высокую стойкость к воздействию

комплекса разрушительных факторов.

По мнению Аксельрода Л.М. [63] эффективным решением проблемы

улучшения теплотехнических и эксплуатационных свойств футеровок

вращающихся печей является изготовление комбинированных многослойных

20

футеровок из унифицированных огнеупорных изделий, бетонных блоков и секций

рациональной геометрической конфигурации.

В связи с усложнением технологических процессов, которые связаны с

формованием изделий из материалов различных составов, а также выбором для

каждого оптимального типа обжига на сегодняшний момент сдерживается

массовое производство изделий с различными свойствами и типами футеровок. С

данной проблемой постоянно сталкиваются современные исследователи.

На сегодняшний день нам известен ряд технологических разработок ведущих

исследователей, таких, как: Чусовитина Т.В. [7, 64, 91], Гончаров Ю.И. [8, 64, 91]

и Примаченко В.В. [64, 91] по производству многослойных огнеупоров для

вращающихся печей различного химического состава.

Новохатская Ю. Н. и Щербина В. Ю. в своем исследовании [91] предлагают

использовать футеровки с повышенным тепловым сопротивлением путем введения

в нее дополнительного волокнистого теплоизоляционного материала, что

достигается за счет изменения формы огнеупора. Таким теплоизолятором может

быть муллит-кремнеземистая вата с неорганическими добавками, которую можно

использовать при температуре до 1600 °С. В этом случае между огнеупором и

корпусом печи образуется ячейка, заполненная теплоизоляционным материалом.

Авторы определили, что наибольшего уменьшения тепловых потерь печи в

окружающую среду и массы футеровки можно достичь за счет установки фасонных

огнеупоров в высокотемпературной зоне печи, чем также обеспечивается большая

передача тепла обрабатываемому материалу и уменьшение массы теплового

аппарата. При механических и тепловых нагрузках, которые возникают во время

работы, приведенная форма дает возможность лучше сохранить механическую

стойкость огнеупорного кирпича и обеспечить высокую тепловую эффективность.

Стоимость, потребление энергии, долговременность использования печи во

многом зависит от футеровки изделия. Согласно имеющимся литературным

данным, Соколов А. К. указывает, что потери теплоты через футеровку составляют

от 14 до 41 % всех потерь [64, 91]. Следовательно, и расход топлива на покрытие

этих потерь значителен.

21

Как один из способов уменьшения данного вида затрат можно предложить

увеличение толщины футеровки. Но при увеличении толщины возрастают потери

на аккумуляцию, происходит увеличение капитальных затрат и расходов на

тепловое ограждение.

Именно по этой причине наиболее актуальным вопросом в данной области

является, решение задачи оптимизации футеровки печи с учетом ее

теплоиспользующих, эксплуатационных и стоимостных характеристик [64, 91].

Вариации в качестве выбираемых материалов, в толщине слоев и др.

факторов оптимизации определяют ее направления.

Также, Парамонов А.М. выделяет следующие задачи оптимизации [64, 91]:

- определение экономически наиболее выгодной толщины футеровки печи,

обеспечивающей минимум затрат на ее изготовление и эксплуатацию;

- нахождение и выбор оптимальной последовательности расположения

огнеупорных и теплоизоляционных материалов и оптимальной толщины

отдельных слоев.

При проведении сравнительного анализа оказалось, что составные части

теплового баланса печи меняются прямо пропорционально расходу топлива на

компенсацию тепловых потерь, которые через футеровку поступают в

окружающую среду. Таким образом, общие капительные затраты прямо

пропорциональны росту толщины футеровки, как и было сказано ранее.

Примером успешного внедрения автоматизированной системы контроля

управления вращающимися печами может послужить проект, осуществленный в

ОАО «Комбинат Магнезит» [1]. На предприятии была поставлена задача внедрения

автоматической системы регулирования и контроля, которая оптимизирует ход

технологического процесса обжига на уровне, недостижимом для человека

оператора, и минимизирует влияние человеческого фактора на результаты

производственного процесса в целом. Результатом реализации проекта стала

разработка и внедрение регулятора теплового режима (РТР). Шатиловым О. [1] был

сделан вывод о том, что в значительной мере неудачи предшественников

объясняются стремлением автоматизировать труд обжигальщика, а не управление

22

технологическим процессом обжига. В результате автоматика не могла выполнить

работу обжигальщика лучше, чем сам обжигальщик. Это и было основной

причиной, почему такие системы не приживались на производстве ранее.

Итог автоматизации - следующие изменения:

- в ходе технологического процесса оптимизируется температура зоны

обжига в диапазоне 1840-1940°С;

- по результатам проведенных исследований в течение определенного

промежутка времени средний расход топлива сократился на 7% при повышении

производительности печи на 3,5% и одновременном снижении пылевыноса на

3,8%, что в конечном счёте позволило снизить срок окупаемости программно -

технического комплекса на базе МАИС для системы управления 3 печами до 6

месяцев.

Данный опыт можно использовать и на других предприятиях

металлургического комплекса.

1.4 Теплоизоляционные материалы, применяемые в технологических

трубопроводах

Технологические трубопроводы являются одной из важных отраслей

хозяйственной деятельности, т.к. по ним осуществляется подача жидких или

газообразных веществ для производственных нужд. Потери тепловой энергии при

этом могут составлять до 40 % [88]. Такое большое количество теряемого тепла

связано с общей изношенностью и несовершенством используемых

теплоизоляторов.

В последнее время в качестве теплоизолирующего материала применяются

минеральная вата, пенополиуритан (ППУ), поливинилхлорид (ПВХ) и другие

вещества с низким термическим сопротивлением. Теплоизоляция труб

осуществляется посредством введения между горячей трубы и окружающей средой

материала с низким коэффициентом теплопроводности. Его поверхность

покрывается защитной оболочкой, выполняющей функции изолирующей

структуры и защиты от воздействия окружающей среды (Рисунок 1.4.1).

23

Рисунок 1.4.1 – Структура теплоизоляции трубопроводов: 1 – горячая труба, 2 –

теплоизоляционная структура, 3 – наружная оболочка

Минеральная вата — волокнистый теплоизоляционный материал,

получаемый из минерального и техногенного сырья. В качестве которого

используются: песок, горные породы, силикатные расплавы из доменных шлаков,

смеси осадочных и изверженных горных пород. Минеральная вата предназначена

для изготовления теплоизоляционных и звукоизоляционных изделий, а также в

качестве теплоизоляционного материала поверхностей с температурой до

+ 700 °C. Необходимо помнить, что в изделиях из минеральной (каменной) ваты на

синтетическом связующем (фенолформальдегидные смолы) при температуре

около 300-350 °С начинается процесс деструкции связующего, что приводит к

невозможности ее использования при вибрационных нагрузках, т.к. она будет

рассыпаться на волокна без связующего. Коэффициент теплопроводности

минеральной ваты 0,039-0,043 Вт/м∙К при нормальных условиях [60].

Базальтовое волокно производят из различных горных пород близких по

химическому составу – базальта, базанитов, амфиболитов, габродиабазов или их

смесей. В качестве сырья для производства базальтовых волокон, используются

базальтовые горные породы, средний химический состав которых следующий (%

по массе): SiO2 (47,5-55,0); TiO2 (1,36-2,0); Al2O3 (l4,0-20,0); Fe2O3 + FeO (5,38-13,5);

MnO (0,25-0,5); MgO (3,0-8,5); CaO (7,-11,0); Na2О (2.7-7,5); К2О (2,5-7,5); P2O5 (не

24

более 0,5); SO3 (не более 0,5); прочие породы (не более 5). Производство

базальтовых волокон основано на получении расплава базальта в плавильных

печах и его свободном вытекании через специальные устройства, изготовленные из

платины или жаростойких металлов. Плавильные печи могут быть

электрическими, газовыми, или оборудоваться мазутными горелками. Существует

два основных типа базальтового волокна — штапельное и непрерывное. Одним из

наиболее важных параметров штапельного базальтового волокна является диаметр

отдельных волокон. В зависимости от диаметра волокна делят на: микротонкие,

диаметром менее 0,6 мкм; ультратонкие, 0,6 - 1,0 мкм; супертонкие, 1,0 - 3,0 мкм;

тонкие, 9 - 15 мкм; утолщенные, 15 - 25 мкм и грубые - диаметром 50 - 500 мкм.

Диаметр волокон существенно влияет на важнейшие свойства изделий из него:

теплопроводность, звукопоглощение, плотность и др. В зависимости от диаметра

волокно используется для различных целей [21, 91].

Материалы на основе базальтового волокна обладают следующим важными

свойствами: пористость, термостойкость, паропроницаемость и химическая

стойкость.

Пористость базальтового волокна может составлять 70 % по объёму и более.

Если поры материала заполнены воздухом, то при такой пористости он

характеризуется низкой теплопроводностью.

Термостойкость является весьма важным свойством теплоизоляционных

материалов, особенно при использовании их для изоляции промышленного

оборудования, работающего при высоких температурах. Термостойкость

материалов характеризуют технической температурой применения, при которой

материал может эксплуатироваться без изменения технических свойств.

Паропроницаемость - это способность материала пропускать через свои поры

водяной пар. В материалы из базальтового волокна присутствуют сообщающиеся

поры. Они пропускают такое же количество пара, как и воздуха. Благодаря

большой паропроницаемости эти материалы при эксплуатации почти всегда сухие;

конденсация пара наблюдается в основном в следующем слое на более холодной

стороне ограждений.

25

Базальтовые волокна обладают хорошей стойкостью к действию

органических веществ (масло, растворители и др.), а также к воздействию щелочей

и кислот.

Благодаря этим свойствам, базальтовое волокно и материалы на его основе

находят сегодня все более широкое применение. Базальтовое волокно применяется:

- для теплоизоляции, звукоизоляции и огнезащиты жилых и промышленных

здании и сооружений;

- для теплоизоляции энергетических агрегатов, высокотемпературных

металлургических объектов, трубопроводов большого диаметра;

- для теплоизоляции бытовых газовых и электрических плит, жарочных

шкафов и т.д.

- в трехслойных строительных сэндвич-панелях;

- в промышленных холодильниках и холодильных камерах, бытовых

холодильниках;

- изоляция кислородных колонн;

- в качестве изоляции низкотемпературного оборудования при производстве

и использовании азота.

Пенополиуретаны (ППУ) - лёгкие, но достаточно прочные пенопласты из

полиуретанов, обладают очень низкой теплопроводностью (0,019 − 0,04 Вт/(м·K))

[60, 81], малой паропроницаемостью, высокой адгезией практически ко всему, к

бумаге, металлу, древесине, штукатурке, рубероиду и многому другому.

Существуют как двух и более компонентные технологии получения

самоотверждаемых пенополиуретанов с различными характеристиками, так и

однокомпонентные составы, отверждаемые влагой воздуха .

Жёсткие пенополиуретаны (ППУ) являются одними из наиболее

распространённых на Западе строительных материалов. Системы напыляемых

изоциануратов обладают рядом преимуществ:

Пониженная горючесть по сравнению с другими системами изоляции.

Одновременная гидроизоляция, материал не боится влаги, т.е. не требуется

дополнительных слоев пароизоляции.

26

Тепло- и морозостойкость в диапазоне температур от -100°С до +130°С;.

Малый вес и отсутствие нагрузки на строительные конструкции.

Высокая адгезия к различным типам поверхности.

Монолитная бесшовная поверхность изоляционного слоя.

Ремонтопригодность.

Возможность использования как для новых, так и для ремонта старых

зданий.

Удобство транспортировки и хранения.

Химическая стойкость к слабокислотным осадкам, к промышленным

углеводородам.

Пенополиуретан является негорючим материалом, что делает его более

безопасным материалом, чем дерево. Как правило, в компоненты для получения

пенополиуретана уже включены антипирены, которые делают его

пожаробезопасным. Закрытые поры пенополиуретана позволяют ему не прогорать

сразу на всю глубину [102].

Для сокращения энергетических потерь в технологических трубопроводах

используются различные конструкции теплоизолированных труб. Можно

выделить трубы, при изоляции которых используется минеральная вата,

пенополиуретановые скорлупы. Эти способы теплоизоляции обладают

свойственными для каждого из них недостатками и преимуществами. Рассмотрим

ниже каждый их данных способов.

Теплоизоляционные конструкции включают в себя защитное покрытие

поверхности труб от коррозии, основной слой изоляции (несколько слоев) и

защитное покрытие (покровный слой), предохраняющий основной слой

теплоизоляции от механических повреждений, воздействия атмосферных осадков

и агрессивных сред. К защитному покрытию относятся также средства и детали

крепления покровного слоя и изоляции в целом

Выбор защитного покрытия поверхности труб от коррозии, производится в

зависимости от способа прокладки, от вида агрессивных воздействий на

поверхность и от конструкции тепловой изоляции. Наиболее распространенным

27

являются масляно-битумные покрытия, а также покрытия изолом или бризолом по

изольной мастике. Весьма эффективным является стеклоэмалсвое покрытие, со-

стоящее из смеси кварцевого песка, полевого шпата, глинозема, буры и соды. Для

повышения сцепления с металлом в состав вводят оксиды никеля, хрома, меди и

другие добавки. Водный густой состав наносится на поверхность трубы,

высушивается, и оплавляется на поверхности трубы в кольцевом электромагнит-

ном индукторе при температуре около 800°С. Стыковые соединения труб могут

покрываться эмалью при помощи передвижных установок. Недорогим

антикоррозийным средством является покрытие краской ЭФАЖС на эпоксидной

смоле. Находят применение другие эпоксидные эмали. Для теплопроводов, на-

ходящихся в жестких температурно-влажностиых условиях, весьма эффективна

металлизация поверхности алюминием газотермическим способом. Алюминиевое

покрытие наносится па поверхность трубы при помощи газопламенных или

электродуговых аппаратов газовой или воздушной струей Установка по ме-

таллизации алюминием может входить в поточно-механизированную линию по

теплоизоляции труб [60].

Перед нанесением антикоррозионного покрытия поверхность труб

зачищается от коррозии и окалины механическими щетками или пескоструйными

аппаратами и при необходимости обезжиривается органическими растворителями

Полносборные теплоизоляционные конструкции наиболее

индустриальный вид изоляции − изготавливаются на заводе с

противокоррозионной обработкой труб и с креплением покровного слоя поверх

основного слоя изоляции Изоляция стыков, фасонных частей, арматуры,

компенсаторов и др. производится после монтажа всех элементов участка

теплосети из заготовленных на заводе штучных теплоизоляционных изделий.

Сборные комплектные теплоизоляционные конструкции представляют собой

полный комплектный набор теплоизоляционных изделий, элементов покрытия и

крепежных деталей по размерам и диаметрам.

Подвесные теплоизоляционные конструкции − основной способ

теплоизоляции теплопроводов надземной и подземной канальной прокладок.

28

Выполняется из изделий минеральной ваты, стекловаты, вулканитовых изделий,

известково-кремниевых и других материалов. В настоящее время изготовление

подвесных теплоизоляционных конструкций, как правило, осуществляется

сборкой штучных заготовок с закреплением покровным слоем и деталями крепле-

ния. Сборка изоляционных конструкций на объекте монтажа из готовых элементов

(сегментов, полос, матов, скорлуп и полуцилиндров) связана с большой затратой

ручного труда.

При монтаже теплоизоляции из мягких материалов (плит, матов) при

нанесении покровного слоя неизбежно уплотнение материала теплоизоляционного

слоя. Это должно учитываться при расчете необходимого количества материала

коэффициентом уплотнения. Для изоляции запорной арматуры находят

применение съемные конструкции набивной изоляции в виде тюфяков, заполнен-

ных минеральной или стеклянной ватой, перлитом и другим теплоизоляционным

материалом. Оболочка тюфяков изготавливается из стеклоткани.

Покровный слой при надземной прокладке на открытом воздухе, как

правило, выполняет функции защитного покрытия от проникновения атмосферной

влаги. Используется фольгоизол, фольгорубероид, армопластмассовые материалы,

стеклотекстолит, стеклопластик, сталь листовая углеродистая и листовая

оцинкованная, листы, ленты и фольга из алюминиевых сплавов. При прокладке в

непроходных каналах используют более дешевые аромопластмассовые материалы,

стеклотекстолит, стеклопластик, стеклорубероид, рубероид. В тоннелях

допускается также применять фольгоизоляцию, фольгорубсроид и алюминиевую

фольгу дублированную. Крепление покровного слоя из листового металла

производят самонарезающими винтами, планками или бандажами из упаковочной

ленты или лентами из алюминиевого сплава, оболочки из стеклопластика, фольги

и других материалов, крепят бандажами из алюминиевой или упаковочной ленты,

оцинкованной стальной ленты и проволоки. Покрытие из кровельной стали

окрашивакн атмосферостойкими красками. На рисунке 1.4.2 приведен пример

теплоизоляции трубопровода минераловатными плитами.

29

Оберточные конструкции выполняют из прошивных матов или из мягких

плит на синтетической связки, которые сшивают поперечными и продольными

швами. Покровный слой крепится также, как и в подвесной изоляции. Оберточные

конструкции в виде теплоизоляционных жгутов из минеральной или стеклянной

ваты после наложения их на поверхность также покрывают защитным слоем.

Изолируют стыки, фасонные части, арматуру [60].

Рисунок 1.4.2 – Изоляция трубопроводов минераловатными матами на подвесках

1, 2 – маты, 3 – подвеска, 4 – бандаж, 5 – сшивка

Мастичная изоляция применяется также для теплоизоляции на месте

монтажа арматуры и оборудования. Применяют порошкообразные материалы:

асбест, асбозурт, совелит. Замешенная на воде масса накладывается на

предварительно нагретую изолируемую поверхность вручную. Применяется

мастичная изоляция редко, как правило, при ремонтных