Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
А.Н. Макаров, В.В. Окунева, Ю.М. Павлова, Д.Н. Васильев
Аннотация. Изложены основы разработанной теории теплообмена в дуговых сталеплавильных печах. Выведенные формулы и разработанная на их основе теория позволили разработать 15 инновационных конструкций дуговых сталеплавильных печей и способов плавки стали в них. Теория используется научно-педагогическим составом для обучения студентов университетов и сотрудниками металлургических компаний при разработке энергосберегающих технологических режимов существующих дуговых сталеплавильных печей. Ключевые слова: теплообмен, излучение, теория, дуга, сталь, печь. В металлургии в мире и в частности в Российской Федерации (РФ) 40 % стали производят в дуговых сталеплавильных печах (ДСП), 60 % – в кислородных конверторах. Во всех отраслях машиностроения РФ в литейном производстве используется около тысячи ДСП (рис. 1). Литературный обзор, проведенный автором Макаровым А.Н. в 1979 г., тогда являвшимся аспирантом Научного исследовательского университета «Московский энергетический институт» (НИУ «МЭИ»), в Государст-венной публичной научно-технической библиотеке за 1978–1900 гг. показал отсутствие в России и зарубежных странах формул для расчета теплообмена в ДСП. Электрическая дуга, основной источник тепла в печи, представляла собой «черный ящик». В 1975–1976 гг. произошло увеличение мощности стотонных ДСП с 30 до 60 МВА. В настоящее время ДСП вместимостью 100 тонн (ДСП-100) потребляют электрическую мощность 90–120 МВА, равную 75 % мощности, затрачиваемой областным центром с населением 500 тыс. человек и расположенной в нем промышленностью. Производи-тельность современной ДСП-100 – 1 млн т стали в год.
Рис. 1. Дуговая сталеплавильная печь вместимостью 6 т металла
До 1979 г. отсутствовали методика расчета теплообмена в ДСП, данные о причинах неравномерности износа (рис. 2) и низкой стойкости футеровки стен и сводов ДСП, неравномерности расплавления лома, температуры металла по периметру и других явлениях. Не зная закона теплового излучения электрической дуги, нельзя управлять этим физическим явлением.
а б Рис. 2. Топографии износа футеровки стен ДСП-100 (а) и ДСП-3 (б): 1 – профиль кладки новых стен; 2 – профиль кладки в конце компании стен
Закон Стефана – Больцмана для расчета теплового излучения твердых тел [1–3] не подходил для расчета теплового излучения газового ионизированного объема – электрической дуги [4]:
где φ 12 – угловой коэффициент излучения поверхности F1 на поверхность F2; ε1 – коэффициент излучения поверхности F1; сs – коэффициент излучения абсолютно черного тела; F2 – площадь поверхности F2; Т1, Т2 – температура поверхностей F1 и F2 соответственно. В 1978–1982 гг. автор научного открытия Макаров А.Н., тогда аспи-рант НИУ «МЭИ», разработал геометрическую, физическую (рис. 3), мате-матическую модель электрической дуги в ДСП как ионизированного цилиндрического газового источника теплового излучения, получил формулы для расчета теплового излучения дуги на поверхности в ДСП. Впоследствии (используя авторское право) формула для расчета теплового излучения цилиндрического газового объема на поверхности нагрева названа первым законом теплового излучения газового объема Макарова [4, 5].
а б Рис. 3. Электрическая дуга и ее изотермы (а) и моделирование излучения дуги излучением элементарного цилиндра (б)
Определим основные характеристики излучения элементарного цилиндра (см. рис. 3б). Цилиндр, площадь боковой поверхности которого – dF 0, излучает из центра излучения точки А на элементарную площадку dF 01, расположенную на расстоянии r от цилиндра. Высота и диаметр цилиндра – l и d соответственно, ось цилиндра ОО1 является осью симметрии излучения. Телесный угол, под которым видна площадка dF 01 из точки А, равен d w a. Обозначим угол между лучом АМ, соединяющим центры цилиндра dF 0 и площадки dF 01, и нормалью N 1 к оси ОО1, проведенной в точку А, через a. Обозначим угол между лучом АМ и нормалью N 2, проведенной к площадке dF 01 в точку М под прямым углом, через b. Для эффективной поверхности, применяя закон Ламберта, можно записать выражение для определения потока излучения элементарного цилиндра на элементарную площадку dF 01:
(1)
где dF 0Э – площадь эффективной поверхности элементарного цилиндра; ION – интенсивность (яркость) излучения поверхности цилиндра в нормальном направлении N 1. Поскольку излучение элементарной площадки dF оэ является диффузным и неизменным по всей ее площади, то, подставив в (1) постоянную величину площади эффективной поверхности, можно перейти к дифференциальному уравнению первого порядка:
(2)
В выражении (2) произведение первых трех сомножителей средней части равенства характеризует силу излучения элементарного цилиндра I ое. Телесный угол по определению находим следующим образом:
(3)
Подставим (3) в (2) и получим выражение:
(4)
Поскольку элементарная площадка dF 01 и элементарный цилиндр dF 0 являются величинами бесконечно малыми, то поток излучения в пределах площадки dF 01 можно считать величиной постоянной, то есть dQ a = Q a, а площадь площадки – равной определенной постоянной величине (dF 01 = F 01). Плотность потока излучения, падающего от элементарного цилиндра в точку М, определим из выражения
(5)
В выражении (5) неизвестной величиной является сила излучения элементарного цилиндра. Найдем ее. Для этого повернем телесный угол d w a вокруг оси ОО1. Угол d w a вырежет в пространстве телесный угол d w n, по величине равный отношению площади пояса, на который опирается телесный угол d w n, к квадрату радиуса:
Поток излучения в пределах телесного угла d w n:
(6)
В выражении (6) Ioe a – сила излучения в направлении угла альфа, которая определяется следующим образом: . Сила излучения так же, как и угловая плотность потока излучения, уменьшается по закону косинуса. Полный поток излучения, испускаемый элементарным цилиндром, определяется интегрированием выражения (6) от + p /2 до – p /2:
(7)
Отсюда сила излучения элементарного цилиндра в направлении нормали N 1 определяется по выражению
(8)
Подставив (8) в (5), получим выражение для определения плотности потока излучения элементарного цилиндра на элементарную площадку или любую расчетную точку пространства:
. . (9)
Множество элементарных цилиндров, находясь на вертикальной оси, образует цилиндр малого диаметра произвольной высоты, который называется линейным источником излучения. Поскольку поток теплового излучения столба дуги Q = 0,9 P д, то, подставив это выражение в (9), получим выражение для определения плотности потока излучения, падающего на расчетную точку футеровки печи от дуги:
. (10)
По формуле (10) можно рассчитывать плотность падающих потоков излучений от дуг на футеровку печей без учета экранирования дуг электродом и шлаком и эффекта выдувания дуг. Интегрированием полученного выражения (10) теплового излучения элементарного цилиндра в пределах высоты дуги l д или угла теплового излучения β получили формулы для расчета теплового излучения длинных дуг ДСП постоянного тока и плазменно-дуговых сталеплавильных печей на расчетную площадку в ее центр в точку А при любом пространственном положении дуги и расчетной площадки. На следующих рисунках и в следующих формулах используются условные геометрические изображения, аналогичные изображенным на рис. 3б и в формулах (1)–(10). Плотность потока излучения, падающего в точку А наклонных стен (рис. 4), определим интегрированием выражения (10) в пределах изменения угла a i:
.
Рис. 4. Излучение дуги на расчетные участки наклонных стен
Формулу для расчета полного потока излучения, кВт/м2, от дуги излучающего цилиндра получили следующим образом:
(11)
Поскольку b 1 + b 2 = b, а также 1/2 (sin 2 b 1 + sin 2 b 2) = sin b cos (b 1 – – b 2), то выражение (11) окончательно принимает вид
.
Аналогичным образом получаем формулы для расчета потока теплового излучения, кВт/м2, дуги на участки стен, наклоненных внутрь печи и на свод (рис. 5):
(12)
Рис. 5. Излучение дуги на расчетные участки стен, наклоненных внутрь печи и на свод
Формулу для расчета плотности теплового потока, кВт/м2, падающего от дуги в точку А (см. рис. 5), получаем интегрированием выражения (12) в пределах изменения угла a i:
Аналогичным образом получаем формулы для расчета потока теплового излучения, кВт/м2, на ванну металла от вертикальной дуги (рис. 6а), на наружные участки ванны металла от наклоненной дуги (рис. 6б), на участки ванны металла, находящиеся под дугой (рис. 6в) [5].
а Рис. 6. Излучение дуги на горизонтальную поверхность ванны металла и выведенные расчетные формулы: вертикальная дуга (а), наклоненная дуга и наружные участки ванны металла (б), наклоненная дуга и внутренние участки ванны металла (в)
б
в Рис. 6. Продолжение
Выведенные формулы позволяют определять поток теплового излучения дуги на ванну металла, стены, свод ДСП, рассчитать электрические и технологические режимы работы, при которых дуга заглубляется в ванну металла и шлак. В результате повышается ее КПД, снижается потребление электроэнергии печью, удельный расход электроэнергии на выплавку 1 т стали. Выведенные формулы и разработанная на их основе теория теплообмена позволили разработать 15 инновационных конструкций ДСП и способов плавки стали в них [6–11] (рис. 7), объяснить причины неравномерного износа футеровки стен в ДСП (рис. 8, 9). На V Международном форуме по интеллектуальной собственности в области металлургических технологий и энергетического обеспечения металлургических технологий, состоявшемся в 2013 г. в Москве, авторы изобретений [6–11] награждены серебряной медалью форума.
Расчетное объяснение по выведенным формулам причин износа в 1980-е гг. футерованных стен в печах малой и большой вместимости, неравномерности расплавления шихты и температуры металла изображено на рис. 8, 9.
Рис. 7. Титульные листы полученных авторами патентов на изобретения ДСП и способов плавки стали в них
а б а б
На основе геометрической, физической, математической моделей дуги автор Макаров А.Н. в 1983–1992 гг. разработал пионерскую теорию теплового излучения ионизированных газовых объемов, теорию теплообмена излучением в ДСП. Теория включает в себя решение интегральных уравнений теплообмена излучением в печах и вывод 16 расчетных формул, позволяющих рассчитать теплообмен при любом пространственном положении электрической дуги и поверхности нагрева [4]. В 1983–1992 гг. автор теории проводил опытно-экспериментальные исследования на металлургических заводах России – «Северсталь», Челябинском, Орско-Халиловском, Оскольском электро-металлургическом и др. Экспериментальные исследования подтвердили истинность разработанной теории. Расчетные данные теплообмена в них и экспериментальные данные о теплообмене в печах имеют высокую сходимость: расчетные и экспериментальные данные не отличаются более чем на 10 %. Теория и результаты экспериментальных исследований защищены Макаровым А.Н. в 1995 г. в СПбГЭТУ в виде докторской диссертации, ранее (в 1992 г.) изданы в издательстве «Энергоатомидат» в виде монографии «Оптимальные тепловые режимы дуговых сталеплавильных печей» (рис. 10), где профессором МЭИ А.Д. Свен-чанским написаны введение и заключение. Монография с 1992 г. является основной настольной книгой по теплообмену в ДСП у российских металлургов, а также у преподавателей, студентов металлургических кафедр университетов. За аналогичные по значимости теоретические и экспериментальные исследования электрического разряда в газах, электрической дуги в газах, в том числе за открытие электрона, Томсон Дж.Дж. в 1906 г. был удостоен Нобелевской премии.
а б Рис. 10. Обложка (а) и титульный лист (б) монографии по теплообмену в ДСП 1992 г. издания
Разработанная более 35 лет назад Макаровым А.Н. теория теплообмена в ДСП используется для обучения студентов-металлургов в НИТУ «МИСиС» и во всех университетах металлургического профиля в России и за рубежом, на металлургических кафедрах технических университетов РФ и в университетах зарубежных русскоязычных стран. Теория применяется на всех металлургических предприятиях России для расчета и выбора рациональных энерготехнологических режимов работы печей. Результаты сорокалетнего теоретического и экспериментального исследования теплового излучения ионизированных и неионизированных газовых объемов, теплообмена в дуговых и факельных металлургических печах, топках, камерах сгорания изложены Макаровым А.Н. в учебном пособии «Теплообмен в электродуговых и факельных металлургических печах и энергетических установках» (Санкт-Петербург, издательство «Лань», 2014 г. 384 с.) [5] (рис. 11). Учебное пособие Макарова А.Н. является основным учебником по теплообмену в электродуговых печах и рекомендовано УМО по образованию в области металлургии Минобрнауки РФ для студентов университетов. Учебник используется в университетах металлургического профиля и на металлургических кафедрах технических университетов, а также в металлургических компаниях России.
а б Рис. 11. Обложка (а) и титульный лист (б) учебника по теплообмену в ДСП 2014 г. издания
В России в настоящее время в металлургических компаниях установлено свыше 50 стотонных ДСП мощностью 90 МВт и произво-дительностью 1 млн т каждая. В конце 1980-х гг. удельное потребление электроэнергии одной печью составляло 450–460 кВт·ч/т, общее – 450–460 млн кВт·ч. К 2015 г. благодаря технологическим факторам и правильной организации теплообмена в этих печах удельное потребление электроэнергии одной печью снизилось до 350–360 кВт·ч/т, общее –до 350–360 млн кВт·ч в год. Экономия электроэнергии составляет 100 млн кВт·ч на одну печь. Определенная заслуга в экономии электроэнергии в металлургических компаниях принадлежит Макарову А.Н., разработчику теории теплообмена в электродуговых печах, и научно-педагогическому составу университетов, использующему ее для обучения студентов, сотрудников компаний России оптимальным технологическим режимам с рациональным теплообменом в ДСП. Сотрудники металлургических компаний используют учебное пособие Ма-карова А.Н. [5] при разработке энергосберегающих технологических режимов работы существующих печей. Российские металлургические компании работают устойчиво, успешно развиваются, реализуют продукцию как в России, так и за рубеж, то есть в промышленно развитые страны Евросоюза, США. В ноябре 2018 г. в Москве на ВДНХ состоялась XXIV Международная промышленная выставка «Металл-Экспо 2018», на которой были представлены достижения металлургических компаний, в том числе компаний металлургического машиностроения, НИИ, университетов и кафедр металлургического направления. В выставке приняли участие 550 компаний из 32 стран мира. Количество российских компаний – 320, иностранных – 230. Часть из последних участвовала в конкурсах «Высокотехнологичные разработки, оборудование, технологии и продукция черной и цветной металлургии» и «Лучшее издание в металлургической промышленности». В организационный и конкур- сный комитеты XXIV Международной промышленной выставки «Металл-Экспо 2018» входили руководители следующих организаций и учреждений: департаментов Минпромторга России, Российского союза поставщиков металлопродукции, металлургических компаний, научно-исследовательских институтов и университетов металлургического направления. Учебное пособие Макарова А.Н. «Теплообмен в электродуговых и факельных металлургических печах и энергетических установках» было награждено серебряной медалью выставки «Металл-Экспо 2018» в номинации «Лучшее издание в металлургической промышленности» (рис. 12). Золотой медалью награжден НИТУ «МИСиС» за многолетнюю работу по подготовке кадров, создание материалов и технологий и в связи со днем образования университета.
Рис. 12. Диплом к серебряной медали «Металл-Экспо 2018», полученный автором Макаровым А.Н. за подготовку и издание учебного пособия по теплообмену в ДСП, факельных печах, энергетических установках в 2018 г.
Российские ученые, опередив ученых промышленно развитых стран, разработали передовую теорию теплообмена в электродуговых печах. Именно в России был издан первый учебник по теплообмену в данных печах. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта №18-33-00511. Библиографический список 1. Блох, А.Г. Теплообмен излучением: справочник / А.Г. Блох, Ю.А. Журавлев, А.Н. Рожков. М.: Энергоатомиздат, 1991. 432 с. 2. Зигель, Р. Теплообмен излучением / Р. Зигель, Дж. Хауэлл. М.: Мир, 1975. 934 с. 3. Телегин, А.С. Теплотехнические расчеты металлургических печей: учебник / А.С. Телегин. М.: Металлургия, 1993. 368 с. 4. Макаров, А.Н. Оптимальные тепловые режимы дуговых сталеплавильных печей / А.Н. Макаров, А.Д. Свенчанский. М.: Энергоатомиздат, 1992. 96 с. 5. Макаров, А.Н. Теплообмен в электродуговых и факельных металлургических печах и энергетических установках / А.Н. Макаров. СПб.: Лань, 2014. 384 с. 6. Пат. 2105819 Российская Федерация, МПК С 21 С 5 / 52. Способ плавки стали в дуговой печи / Макаров А.Н., Макаров Р.А. № 96110278/02; заявл. 21.05.1996; опубл. 27.02.1998, Бюл. № 6. 7. Пат. 2135603 Российская Федерация, МПК С 21 С 5 / 52. Способ плавки стали в дуговой печи / Макаров А.Н., Макаров Р.А. № 98122484/02; заявл. 15.11.1998; опубл. 27.08.1999, Бюл. № 24. 8. Пат. 2190815 Российская Федерация, МПК F 27 В 3 / 08, С 21 С 5 / 52. Дуговая сталеплавильная печь постоянного тока / Макаров А.Н., Макаров Р.А., Дунаев А.Ю. № 2001112039; заявл. 03.05.2001; опубл. 10.10.2002, Бюл. № 28. 9. Пат. 2330072 Российская Федерация, МПК С 21 С 5 / 52. Способ плавки стали в плазменно-дуговой печи постоянного тока / Макаров А.Н., Зуйков Р.М. № 2006140062/02; заявл. 13.11.2006; опубл. 27.07.2008, Бюл. № 21. 10. Пат. 2524173 Российская Федерация, МПК Н 05 Н 1 / 34, Н 05 В 7 / 20. Плавильный плазмотрон / Макаров А.Н., Рыбакова В.В. № 2013106298/07; заявл. 13.02.2013; опубл. 27.07.2014, Бюл. № 21. 11. Пат. 2634105 Российская Федерация, МПК С 21 С 5 / 52, F 27 D 13 / 00. Способ плавки стали в дуговой сталеплавильной печи трехфазного тока / Макаров А.Н., Галичева М.К., Окунева В.В. № 2016117950; заявл. 06.05.2016; опубл. 23.10.2017, Бюл. № 30.
|
||||||||||||||
Последнее изменение этой страницы: 2021-03-09; просмотров: 181; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.15.25.127 (0.075 с.) |