Підвищення ефективності роботи системи "нагрівальна піч – сортопрокатний стан" з використанням енергозберігаючих екранів

Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

05.14.06 Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

УДК 621.771.25.04.001.5

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ РОБОТИ СИСТЕМИ «НАГРІВАЛЬНА ПІЧ - СОРТОПРОКАТНИЙ СТАН» З ВИКОРИСТАННЯМ ЕНЕРГОЗБЕРІГАЮЧИХ ЕКРАНІВ

Перерва Валерія

Яківна

Дніпропетровськ 2009

Дисертація є рукопис.

Робота виконана в Національній металургійній академії України

Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор ГубинсЬкий Михайло Володимирович, Національна металургійна академія України, завідувач кафедри промислової теплоенергетики, м. Дніпропетровськ.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Яковлєва Ірина Геннадіївна, Запорізька державна інженерна академія, завідувач кафедри теплоенергетики;

кандидат технічних наук, доцент Долгополов Ігор Сергійович, Дніпродзержинський державний технічний університет, доцент кафедри промислової теплоенергетики.

Захист дисертації відбудеться 23.06.2009 р. о 13 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 при Національній металургійній академії України за адресою: НМетАУ, пр. Гагаріна, 4, 49600, м. Дніпропетровськ.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Національної металургійної академії України, пр. Гагаріна, 4, 49600, м. Дніпропетровськ.

Автореферат розіслано 21.05.2009 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03, доктор технічних наук, професор Л.В. Камкіна

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Питанню економії енергетичних і матеріальних ресурсів у чорній металургії, що є однією з базових галузей національної економіки, надається велике значення. Це актуально для всіх технологічних переділів, у тому числі й для виробництва прокату. Шляхи вирішення цього завдання пов'язані, по-перше, з модернізацією устаткування (печей, прокатних станів), що вимагає значних капітальних і часових витрат. Іншим напрямком, що забезпечує швидкий ефект на існуючому обладнанні, є розробка та впровадження енерго- і ресурсозберігаючих режимів і технологій. Саме дослідженню цього напрямку, стосовно до умов виробництва сортового прокату, присвячена дисертаційна робота.

Вибір і реалізація ефективних режимів роботи системи «нагрівальна піч - сортопрокатний стан» припускає можливість зміни температурного режиму прокатки за рахунок прийняття кінцевої температури нагріву заготовок у печі і обмеження теплових втрат при транспортуванні по рольгангу з установкою над ним енергозберігаючих екранів.

Таким чином, дослідження ефективності екранування рольгангу при виробництві сортового прокату та розробка ефективних режимів роботи системи «піч-стан» є на цей час актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертація виконана відповідно до одного з наукових напрямків кафедри промислової теплоенергетики Національної металургійної академії України (НМетАУ). Питання й проблеми, розглянуті в дисертаційній роботі, відповідають Державній програмі енергозбереження і планам Міністерства освіти та науки України. Робота є частиною досліджень, які проводилися відповідно до теми В528-02-03-018/1606 «Розробка раціональних енерготехнологічних режимів металургійного комбінату».

Мета роботи і завдання дослідження. Мета дисертаційної роботи - підвищення ефективності використання енергетичних і матеріальних ресурсів при виробництві сортового прокату за рахунок оптимізації температурного режиму прокатки з використанням енергозберігаючих екранів.

Відповідно до поставленої мети досліджень у роботі поставлені до вирішення наступні основні задачі:

- виконати аналіз енергоспоживання при виробництві сортового прокату та сформулювати задачу вибору оптимального режиму роботи обладнання;

- розробити математичну модель теплообміну в системі «розкат - екран», що дозволить визначити температури в розкаті та екрані, з урахуванням технологічних особливостей прокатки;

- виконати експериментальні і чисельні дослідження охолодження розкату в лабораторних і промислових умовах, визначити основні конструктивні і технологічні параметри роботи енергозберігаючих екранів;

- розробити математичні моделі нагріву металу в методичній печі та деформації заготовок у валках з визначенням зусилля прокатки й витрат електроенергії на стані;

- виконати оптимізацію режимів роботи системи «піч-стан» при виробництві сортового прокату стосовно до умов стану 550-2 ВАТ «Дніпропетровський металургійний завод ім. Петровського».

Об'єкт дослідження - процеси теплообміну при виробництві сортового прокату.

Предмет дослідження - температурні режими нагрівання заготовок і прокатки сортового прокату з використанням енергозберігаючих екранів.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження процесів теплообміну при прокатці проводилися шляхом математичного моделювання з використанням балансових рівнянь, чисельних методів (метод кінцевих різниць). При визначенні енергосилових параметрів роботи прокатного стану використано метод наведеної смуги. Рішення задачі оптимізації виконано із застосуванням методу нелінійного програмування. Експериментальні дослідження температурних режимів прокатки було проведено в умовах сортопрокатного стану 550-2 ВАТ «Дніпропетровський металургійний завод ім. Петровського» і в лабораторних умовах на експериментальній установці кафедри промислової теплоенергетики НМетАУ.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Вперше вирішено задачу чисельного моделювання теплообміну в процесі виробництва сортового прокату при наявності енергозберігаючих екранів з урахуванням формозміни розкату шляхом зміни кутових коефіцієнтів і результуючих теплових потоків.

2. На основі чисельних досліджень охолодження сортового прокату з використанням енергозберігаючих екранів, при зміні основних параметрів - температури нагрівання заготовок 1200 - 1060 єС, продуктивності стану 60 - 100 тон за годину отримано нові дані: зниження втрат теплоти розкатом при використанні енергозберігаючих екранів забезпечує збереження незмінної температури кінця прокатки, при зниженні температури нагрівання заготовок у печі на 45 - 55 єС; основним параметром, що визначає ефективність екранування, є товщина теплової ізоляції екрана; вплив температури розкату й висоти установки екрана над рольгангом у дослідженому діапазоні параметрів (товщина екранної ізоляції 0,1 - 0,3 м, висота установки екрана над рольгангом 0,3 - 0,5 м) є несуттєвим.

3. Вперше вирішено задачу оптимізації режимів роботи системи «піч - сортопрокатний стан» з установкою енергозберігаючих екранів та показано, що оптимальна температура нагрівання заготовок у печі становить 1060 - 1100 єС і дозволяє знизити собівартість готової продукції на 0,3 - 0,7 % за рахунок зниження окалиноутворення й економії палива в печі з одночасним ростом витрат електроенергії на деформацію металу.

Практичне значення отриманих результатів.

· Розроблено рекомендації з вибору конструкції та матеріалів енергозберігаючих екранів стосовно до умов роботи сортових станів: екран теплоізолюючого типу, несуча конструкція якого повинна бути ізольована тепловою ізоляцією з волокнистих вогнетривких матеріалів товщиною не менш 0,3 м.

· Розроблено ефективні режими роботи сортопрокатного стану 550-2 ВАТ «Дніпропетровський металургійний завод ім. Петровського» з використанням енергозберігаючих екранів. Очікуваний економічний ефект, за рахунок зниження собівартості прокату, становить 1093 тис. грн./рік.

Особистий внесок здобувача. Експериментальні та теоретичні дослідження, представлені в дисертаційній роботі, виконано при особистій участі автора разом зі співробітниками Національної металургійної академії України. У наукових працях автора, виконаних разом зі співавторами, його особистий внесок складається: у розробці математичних моделей процесу прокатки на сортопрокатному стані із застосуванням екранів над розкатом, адаптації отриманих результатів з експериментальними даними [4, 5, 10, 12-14]; у створенні експериментальної установки і розробці методики та проведенні експериментальних досліджень [6 - 9]; у розв'язанні задачі оптимізації та визначенні ефективних режимів роботи системи «піч - стан», техніко-економічній оцінці ефективності екранування рольганга для умов роботи сортопрокатного стану 550-2 [1 - 3, 11, 15].

Вірогідність отриманих результатів забезпечується використанням при моделюванні класичних закономірностей тепло- і масообміну, апробованих експериментальних залежностей теплообміну при прокатці, використанням сучасних чисельних методів розрахунку. Отримані розрахункові результати підтверджуються задовільною збіжністю з експериментальними даними. При проведенні експериментальних досліджень використано апробовані методики вимірів, виконано оцінку їх точності.

Апробація результатів дисертації. Основні положення й результати роботи доповідалися на 8 всеукраїнських і міжнародних конференціях: ІІІ Всеукраїнська науково-практична конференція студентів, аспірантів та молодих вчених «Екологія. Людина. Суспільство.», Київ, 2000 р.; всеукраїнська конференція «Запоріжсталь - 2000», Запоріжжя, 2000 р.; міжнародна конференція «Автоматизований пічний агрегат - основа енергозберігаючих технологій металургії ХХЙ віку», Москва, 2000 р.; всеукраїнська конференція «Азовсталь - 2001», Маріуполь, 2001 р.; 3 міжнародна науково-практична конференція «Проблеми економії енергії» - Львів, 2001 р.; міжнародна науково-практична конференція «Проблеми економії енергії», - Львів, 2003 р.; міжнародна науково-технічна конференція «Запоріжсталь - 2003», Запоріжжя, 2003 р.; 6th International symposium of Croatian metallurgical society “Materials and Metallurgy”. - Metalurgija, Sibenik, 2004.

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 15 наукових друкованих працях: 2 - у спеціалізованих журналах, 5 - у збірниках наукових праць, 8 - у матеріалах і працях міжнародних науково-практичних конференцій. З них 7 у виданнях, що входять до відповідного переліку ВАК.

Структура та обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох глав, висновку, списку літературних джерел і додатків. Матеріал роботи викладено на 137 сторінках машинописного тексту і включає 14 таблиць, 43 рисунки, 10 додатків. Список використаних літературних джерел становить 96 найменувань.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовано цілі та завдання досліджень. Наведено нові наукові результати, отримані в роботі, показана їх практична цінність, визначено особистий внесок здобувача, представлено відомості з апробації роботи.

В першому розділі виконано аналіз ефективності роботи сортопрокатного виробництва, на основі якого показано шляхи її підвищення при системному дослідженні роботи прокатного стану і нагрівальної печі. Зниження витрат на виробництво сортового прокату можливо за рахунок зменшення втрат металу у вигар та витрат на енергоносії (природний газ і електроенергію), які визначаються вибором температурного режиму прокатки починаючи від температури нагріву заготовки до температури кінця прокатки.

Таким чином, задачу підвищення ефективності роботи системи «піч - стан» можна сформулювати як задачу оптимізації температурного режиму, що забезпечує мінімальну вартість готового прокату при заданій продуктивності стану з урахуванням технологічних обмежень

СП = СМ · mВИГ + СПАЛ · bП + СЕЕ · bЕЕ > min, (1)

де СП - змінна частина собівартості готового прокату, грн./т; СМ - вартість заготовки, грн./т; mВИГ - втрати металу у вигар, т/т; СПАЛ, СЕЕ - вартість палива, що використано у нагрівальних печах і електроенергії, що витрачено на прокатному стані, відповідно грн./кг у.п.; bП, bЕЕ - питома витрата палива та електроенергії, кг у.п./т.

Обмеження для задачі оптимізації визначають наступні технологічні фактори:

1. Температура нагріву металу в печі не повинна перевищувати граничних значень, обумовлених технологічними вимогами для різних марок сталей і становить діапазон 1200 - 1060 °С.

2. Кінцева температура прокатки регламентується вимогами до структури і властивостей готової продукції та не повинна знижуватися менш 800 - 900 оС для вуглецевих і конструкційних сталей.

3. Величину припустимих зусиль прокатки, які забезпечують надійну та стабільну роботу устаткування, прийнято відповідно до конструктивних параметрів стану - 3,0 3,6 МН.

Зміна температурного режиму прокатки визначається кінцевою температурою нагріву заготовок в печі і величиною втрат теплоти від розкату при русі по рольгангу. Температура нагріву заготовок може бути знижена за рахунок екранування міжклітьових проміжків теплоізолюючими екранами.

Розглянуто особливості відомих систем екранування міжклітьових проміжків для листових станів, що реалізують різний принцип дії: відбивні екрани; екрани, що акумулюють; теплоізолюючі екрани; термічні панелі, засновані на принципі «вторинного випромінювання». Там же наведено аналіз існуючих методів моделювання температурного поля охолодження розкату з енергозберігаючими екранами.

На основі аналізу результатів літературного огляду сформульовано завдання роботи і методи їх вирішення, засновані на математичному моделюванні процесів теплообміну в системі «розкат - екран», нагрівання металу в печі, деформації заготовок з визначенням зусиль прокатки стосовно до сортопрокатного стану й експериментальному підтвердженні результатів моделювання.

В другому розділі дисертаційної роботи проведено аналіз факторів, визначаючих температурне поле розкату при його екрануванні, з використанням спрощеної математичної моделі, заснованої на рівнянні теплового балансу:

де с - теплоємність металу при середній температурі, Дж/(кгК); m - маса металу, що прокатується, кг; dt - зміна середньовагової температури заготовки в процесі прокатки, °С; Qвипр - втрати теплоти випромінюванням, Вт; Qкон - втрати теплоти конвекцією, Вт; Qекз - тепловиділення в результаті екзотермічних реакцій окислювання металу, Вт; Qдеф - тепловиділення в результаті перетворення роботи деформації металу в теплову енергію, Вт; Qвал - втрати теплоти розкатом внаслідок його стикання з робочими валками, Вт.

Дослідження проводилися стосовно до умов сортопрокатного стану 550-2 ВАТ «Дніпропетровський металургійний завод ім. Петровського». Схема розташування обладнання стану наведена на рис. 1. Порівняння розрахункових й експериментальних даних (рис.2), отриманих у промислових умовах, показало, що модель адекватно описує процеси охолодження розкату при прокатці сорту на діючому середньосортному стані 550-2.

Аналіз розрахункових даних, отриманих по моделі (2), дозволив визначити основні фактори, що найбільше впливають на процес охолодження розкату: втрати теплоти випромінюванням і конвекцією - на всій довжині рольгангу та втрати теплоти при контакті з валками. Вплив джерел теплоти від деформації металу і його окислювання істотно не впливають на зміну температури розкату і надалі не враховувалися при математичному моделюванні системи «розкат - екран».

Метою моделювання, крім рішення завдання оптимізації, стала необхідність дослідження ефективності роботи всієї системи екранування з урахуванням зміни температури по перетині та довжині профілю при прокатуванні та температурних умов роботи екранів різних конструкцій при циклічності роботи устаткування.

Формулювання математичної моделі теплообміну в системі «розкат -екран» являє собою постановку сполученої нелінійної задачі теплообміну з урахуванням втрат теплоти випромінюванням та конвекцією на рольгангу, у клітях до валків, при граничних умовах ІІ роду. Розрахункова схема теплообміну, яка включає елементи сортового профілю, представлена на рисунку 3. Так, стосовно до прокатки швелеру, прийнято, що поперечний розріз розкату має вигляд трапеції, утвореної трьома пластинами. Зміна геометричних характеристик розкату визначалася за даними калібрування для кожної ділянки стану.

Математична модель включала рівняння теплопровідності для елементів профілю й екрана з відповідними граничними та початковими умовами.

Рівняння теплопровідності для елементів профілю

де t1, t2 - температури елементів профілю, оС, q1, q2, q4, q6 - відповідно, щільності теплових потоків на поверхнях розкату (рис.4 зони 1, 2, 4, 6), Вт/м2, визначаються з рішення завдання зовнішнього теплообміну; - коефіцієнт теплопровідності, Вт/(мК), а - коефіцієнт температуропровідності сталі, м2/с; S1, S2 - товщина першої й другої пластин, відповідно, м; t0 - температура нагрівання металу в печі, оС.

Рівняння теплопровідності для екрану:

Граничні умови для екрану:

де tе, tв - температура екрана і навколишнього середовища, оС; е - коефіцієнт теплопровідності, Вт/(мК), aе - температуропровідність екрану, м2/с; в - коефіцієнт тепловіддачі на зовнішній поверхні екрана, Вт/(м2К); q3, q1, q2 - відповідно, щільність променистого теплового потоку на зону 3, 1, 2, обумовлена з рішення задачі зовнішнього теплообміну, Вт/м2; t0е - початкова температура екрана, оС.

Для визначення значень променистих теплових потоків, що входять у граничні умови (4), (5), (9) використано зональний метод розрахунку (рис. 4). Кутові коефіцієнти визначалися з рішення наступної системи лінійних алгебраїчних рівнянь:



де fij - роздільний кутовий коефіцієнт між зонами i та j; k - ступінь чорності зони k; N - загальне число зон системи.

Результуючі променисті потоки поверхонь 1-5 з урахуванням конвекційної складової визначались по залежності:

,

а результуючий потік для зони 6:

.

При моделюванні охолодження розкату в кліті розрахунок теплових потоків на всі розрахункові поверхні виконувався відповідно до відомої емпіричної залежності

де tр - температура поверхні розкату перед кліттю, оС; tвал - температура валку, оС; с - щільність матеріалу розкату, кг/м3; фк - час контакту розкату з валками у кліті, с.

Задачу вирішували методом кінцевих різниць, використовуючи явну різницеву схему. У процесі прокатки відбувається деформація вихідної заготовки, що впливає на зміну її геометричних характеристик, величини кутових коефіцієнтів і результуючих теплових потоків. Крім цього, відповідно до зміни геометрії заготовки пропорційно змінювалися й координати вузлів сітки, при цьому вузли сітки не перетиналися та не перемішувалися. Задовільна точність розрахунків досягається при мінімальному числі вузлових точок, як для розкату, так і для екрану, рівному 5 - 10. При цьому похибка переходу до кінцево-різницевої схеми не перевищує 0,5 %.сортовий прокат піч заготовка

В третьому розділі дисертаційної роботи наведено результати експериментальних досліджень охолодження розкату різного профілю з використанням енергозберігаючих екранів. Виконано порівняння експериментальних даних з розрахунковими. Представлено методику проведення експериментальних досліджень, схему й опис експериментальної установки (рис. 5).

Дослідження проведено з використанням двох типів екранів: відбивний екран конструктивно являв собою лист металу товщиною стінки 2 мм; теплоізолюючий екран - лист з товщиною стінки 5 мм, теплоізольований шаром з волокнистого вогнетривкого матеріалу типу МКРР-130 товщиною 20 мм.

В якості зразків розкату використовували профіль у вигляді кутика й швелера. Експериментально досліджено охолодження нагрітої в печі заготовки при різних умовах: на відкритому рольгангу; з використанням екранів різної конструкції, циклічному процесі нагріву-охолодження.

У процесі досліджень фіксувалися температури за перетином зразка, у роликах, на яких лежала заготовка, і в екрані.

Порівняння розрахункових й експериментальних даних (рис. 6) дозволили адаптувати математичну модель охолодження розкату. Максимальне відхилення розрахункових значень температур заготовки та екрану від експериментальних не перевищує 6 - 12 %.

В четвертому розділі дисертаційної роботи проведені розрахункові дослідження, пов'язані з вибором раціональної конструкції екранної ізоляції, та виконана оптимізація роботи системи «піч - стан», у результаті якої визначені оптимальні режими роботи стану з екранованим рольгангом. Дослідження проводилися для штатних умов роботи стану 550-2 ВАТ «Дніпропетровський металургійний завод ім. Петровського».

Дослідження ефективності роботи екранованого рольганга проводились шляхом чисельного моделювання при варіюванні товщини теплоізоляції екрану в діапазоні 0,1 - 0,3 м; висоти розташування екрана над розкатом у діапазоні 0,3 - 0 ,5 м; температури початку прокатки 1200 - 1060 єС; продуктивності стану 60 - 100 т/год. Час перебування заготовки на стані відповідав реальному руху розкату між клітями.

Результати розрахункових досліджень показали, що зміна товщини теплової ізоляції екрану в дослідженому діапазоні значно впливає на температуру його поверхні (рис.7). Вплив висоти розташування екрану над розкатом є несуттєвим. Температура розкату змінюється на 1 - 2 єС, а температура поверхні екрану на 2 - 3 єС відповідно.

Розрахункові дані показують, що установка екранів забезпечує підвищення температури кінця прокатки на 16 - 20 єС у всьому дослідженому діапазоні (рис.8), при цьому екранування рольганга дозволяє знизити температуру початку прокатки на 45 - 55 єС при збереженні незмінної температури кінця прокатки.

Для рішення задачі оптимізації створена комплексна модель роботи системи «піч - стан», яка, крім моделі зміни температурного поля розкату в процесі руху по стану з використанням екранів, додатково включає:

- модель процесу нагрівання металу в печі з визначенням витрат палива та величини вигару металу при заданій продуктивності печі та заданих температурах нагріву заготовок і перепаду температури за її товщиною;

- модель процесу деформації заготовки з визначенням зусиль прокатки й витрат електроенергії на стані при заданих температурних умовах і калібруванні стану та згідно технології прокатного виробництва.

Обидві моделі засновані на апробованих в практиці методиках розрахунку, для яких виконано порівняння розрахункових і експериментальних даних.

прокату робить зниження окалиноутворення в печі, при цьому зниження витрат на паливо й втрати металу в печі практично вдвічі перевищують зріст витрат на електроенергію на стані (рис. 9). Отримані розрахункові дані узагальнені у вигляді регресійних залежностей СП = f(tн) при постійній продуктивності стану

СП = а0 + а1·tН + а2·tН2,

де - а0, а1, а2 коефіцієнти регресійної залежності (табл. 1); tн - температура нагріву, оС.

Таблиця 1 Результати регресійного аналізу

Продуктивність, т/год.	Коефіцієнти регресійної залежності	Коефіцієнт кореляції, R2
	а0	а1	а2
100	441,8	-0,69	3,34·10-4	0,99
80	1100,9	-1,87	8,71·10-4	0,98
60	1211,3	-2,05	9,56·10-4	0,98

Рішення задачі оптимізації виконано методом нелінійного програмування. У результаті отримана область температур нагріву заготовок у печі 1060 - 1100 єС, що відповідає мінімальному значенню змінної частини собівартості готового прокату СП, у всьому дослідженому діапазоні продуктивності системи «піч - стан». Таким чином, зниження температури початку прокатки з 1200 єС до оптимального значення 1060 - 1100 єС дозволяє знизити змінну частину собівартості готового прокату на 9 - 12 % (рис. 10). При рішенні задачі не враховувалися реальні умови роботи нагрівальної печі й прокатного стану, пов'язані зі збільшенням часу охолодження заготовки за рахунок впливу суб'єктивних факторів. У зв'язку із цим, а також, з урахуванням точності розроблених математичних моделей, рекомендовано знизити температуру початку прокатки до 1150 оС, що перевищує оптимальне значення на 50 - 90 оС. При цьому зниження витрат на виробництво прокату складе 0,2 - 0,5 % для всього дослідженого діапазону продуктивності стану.

Запропоновані рекомендації та технологічні параметри включені в програму енергозбереження на ВАТ «Дніпропетровського металургійного заводі ім. Петровського», стану 550-2 в 2009 році. Очікувана економічна ефективність впровадження рекомендованих режимів нагріву металу з використанням енергозберігаючих екранів забезпечить термін окупності витрат на впровадження - 0,5 року за рахунок економії палива 4 - 5 м3/т і зниження вигару металу на 0,4 - 0,6 %.

ВИСНОВКИ

В дисертації вирішено важливу науково-технічну задачу підвищення ефективності використання енергетичних і матеріальних ресурсів в сортопрокатному виробництві, що досягається за рахунок вибору раціонального температурного режиму прокатки з використанням енергозберігаючих екранів.

1. Аналіз ефективності роботи сортопрокатного виробництва показав можливість економії енергетичних і матеріальних ресурсів шляхом розробки й впровадження ефективних режимів роботи системи «піч - стан». Їхній вибір і реалізація припускає можливість зміни температурного режиму прокатки за рахунок завдання кінцевої температури нагріву заготовок у печі й обмеження теплових втрат при транспортуванні по рольгангу з встановленням над ним енергозберігаючих екранів. Таким чином, завдання підвищення ефективності роботи системи «піч - стан» можна сформулювати як задачу оптимізації температурного режиму, що забезпечує мінімальну вартість готового прокату при заданій продуктивності стану.

2. Дослідження теплообміну в системі «розкат - екран», яки проведено на основі балансової моделі охолодження розкату, дозволили визначити основні складові втрат теплоти (випромінюванням і конвекцією та втрати теплоти при контакті з валками), які обумовлюють зміну температури металу. Результати моделювання, підтверджені експериментальними даними, використані при розробці числено-аналітичної моделі теплообміну при прокатці.

3. Розроблено чисельно-аналітичну модель теплообміну при прокатці в системі «розкат - екран» з використанням зонального методу променистого теплообміну, що дозволяє визначити зміну температури по профілю заготовки та зміну температури по товщині екранної ізоляції. Модель враховує зміну геометричних розмірів заготовки відповідно до калібрування стану і відповідну зміну кутових коефіцієнтів.

4. Виконано експериментальні дослідження охолодження профілю (кутик і швелер) що моделюють різні режими роботи стану. На основі експериментальних даних виконана адаптація числено-аналітичної моделі. Порівняння розрахункових й експериментальних даних показало, що максимальне відхилення не перевищує 10 - 12 %.

5. Проведено чисельні дослідження охолодження розкату на екранованому рольгангу при зміні наступних параметрів: температура нагріву металу в печі 1060 - 1 200 оС, продуктивність стану 60 - 100 т/год., товщина теплової ізоляції екрану 0,1 - 0,3 м, висота установки екрану над рольгангом 0,3 - 0,5 м. В результаті отримано нові дані про процеси охолодження металу при виробництві сортового прокату з використанням енергозберігаючих екранів:

· енергозберігаючі екрани дозволяють знизити температуру нагріву заготовок у печі на 45 - 55 оС при збереженні незмінної температури кінця прокатки в заданому діапазоні;

· основним параметром, що визначає ефективність екранування, є товщина теплової ізоляції екрану; вплив температури розкату й висоти установки екрану над рольгангом, у дослідженому діапазоні параметрів, незначний.

6. Сформульовано основні рекомендації щодо вибору конструкції й матеріалів енергозберігаючих екранів стосовно до умов роботи сортових станів: екран теплоізолюючого типу, несуща конструкція повинна бути ізольована тепловою ізоляцією товщиною не менш 0,3 м. Як ізоляцію варто використати волокнисті вогнетривкі матеріали з робочою температурою застосування до 1250 оС.

7. Для розв'язання задачі оптимізації температурних режимів прокатки розроблена комплексна модель роботи системи «піч - стан», що включає: модель процесу нагрівання металу в печі; чисельно-аналітичну модель теплообміну при прокатці; розрахункову модель процесу деформації заготовок, з визначенням зусиль прокатки й витрат електроенергії на стані.

Вірогідність отриманих моделей підтверджена порівнянням розрахункових й експериментальних даних, отриманих у промислових умовах. Максимальне відхилення розрахункових й експериментальних даних для кожної моделі не перевищує 10 - 12 %.

8. З використанням комплексної моделі розв'язана задача визначення оптимальних режимів роботи системи «піч - стан» з установкою енергозберігаючих екранів; показано, що оптимальна температура нагріву заготовок у печі може бути зменшена до 1060 - 1100 оС, що дозволяє знизити собівартість готової продукції при виробництві сортового прокату з вуглецевої стали на 0,3 - 0,7 % за рахунок зниження окалиноутворення й економії палива в печі незважаючи на деяке підвищення витрат електроенергії на деформацію металу.

9. З урахуванням вимог надійності спільної роботи нагрівальної печі й прокатного стану, а також, точності математичних моделей, розроблені рекомендації з вибору ефективних режимів роботи сортопрокатного стану 550-2 ВАТ «Дніпропетровський металургійний завод ім. Петровського» з використанням енергозберігаючих екранів. Рекомендовано зниження температури нагріву заготовок до 1150 оС, що забезпечить виконання всіх технологічних вимог і зниження витрат на виробництво з економічним ефектом - 1093 тис. грн./рік, при терміну окупності 0,5 року.

ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Перерва В.Я. Рациональные температурные режим на участке нагревательная печь - прокатный стан // Перерва В.Я., Бергеман Г.В., Губинский М.В., Шевченко Г.Л. Металл и литье Украины. - 2008. - №5. - С. 35 - 37;

2. Перерва В.Я. Дослідження енергозберігаючих режимів роботи сортопрокатного виробництва на ділянці піч - стан. / Перерва В.Я., Губинський М.В // Металургійна теплотехніка. Збірник наукових праць Національної металургійної академії України. - Дніпропетровськ: «ПП Грек О.С.», 2006. - С. 272 - 277;

3. Перерва В.Я. Дослідження енергоспоживання в сортопрокатному виробництві при використанні теплоізолюючих екранів. / Перерва В.Я, Огинський Й.К., Самсоненко А.А., Пульпинський В.Б. // Металургійна теплотехніка. Збірник наукових праць Національної металургійної академії України. У двох книгах. Книга друга. - Дніпропетровськ: Пороги, 2005. - С. 190 - 197.

4. Перерва В.Я., Губинский М.В., Решетняк С.И. Повышение эффективности энергопотребления в сортопрокатном производстве // Теория и практика металлургии. - 2004. - №2. - С. 45 - 49;

5. Перерва В.Я. Моделювання охолодження заготовок на сортовому стані при встановленні теплоізолюючих екранів / Перерва В.Я., Решетняк С.І. // Металургійна теплотехніка. Збірник наукових праць Національної металургійної академії України. - Дніпропетровськ: Пороги, 2004. - С. 67 - 75.

6. Перерва В.Я. Дослідження впливу екранування рольгангу на температуру розкату при прокатці. // Металургійна теплотехніка. Збірник наукових праць - Дніпропетровськ: НМетАУ. - 2002. - Т. 8. - С. 95 - 98.

7. Губинський М.В. Дослідження ефективності енергозбереження при зниженні температури нагріву заготовок на сортових станах. / Губинський М.В., Перерва В.Я. // Металургійна теплотехніка. Збірник наукових праць - Дніпропетровськ: НМетАУ. - 2001. - Т. 4. - С. 118 - 124.

8. V. Pererva. Experimental researches of Cooling profile Iron at shielding of an reeling field. / V. Pererva, M. Gubinsky, S. Reshetniy. // 6th International symposium of Croatian metallurgical society “Materials and Metallurgy”. - Metalurgija, vol. 43, br. 3. - 20 - 24 june, Sibenik, 2004. - str. 251.

9. Перерва В.Я. Експериментальні дослідження охолодження сортового прокату при екрануванні розкатного поля / Перерва В.Я., Губинський М.В., Решетняк С.І. // Міжнародна науково-технічна конференція, присвячена 70-річчю ВАТ "Запоріжсталь". - Запоріжжя: Запоріжсталь. - 4-5 грудня 2003р. - С. 71.

10. Перерва В.Я. Використання екранних заготовок в сортопрокатному виробництві / Перерва В.Я., Губинський М.В., Решетняк С.І. // Проблеми економії енергії: Збірник матеріалів ІV Міжнародної науково-практичної конференції. - Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”. - 8-12 жовтня 2003р. - С. 99.

11. Перерва В.Я. Зниження температури нагріву метала перед пластичною деформацією - ефективний путь енергозбереження // Проблеми економії енергії: збірник матеріалів ІІІ Міжнародної науково-практичної конференції. - Львів: Видавництво Національного університету "Львівська політехніка". 10 - 14 жовтня 2001р. - С.181 - 182.

12. Перерва В.Я. Дослідження і розробка математичної моделі теплообміну при транспортуванні розкату на сортових станах / Перерва В.Я., Губинський М.В.// Тези доповідей науково-технічної конференції молодих спеціалістів "Азовсталь - 2001". - Маріуполь. - 2001р. - С. 46.

13. Перерва В.Я. Зменшення шкідливих викидів в прокатному виробництві при використанні екранних установок з метою енергозбереження / Перерва В.Я., Губинський М.В., Бабенко Л.В. // Збірка тез доповідей учасників ІІІ Всеукраїнської науково-практичної конференції студентів, аспірантів та молодих вчених “Екологія. Людина. Суспільство.” - К.: НУТУ “КПІ”, 11 - 12 травня 2000р. - С. 136 - 137.

14. Перерва В.Я., Губинский М.В., Бабенко Л.В. Энергосбережение в прокатном производстве за счет сохранения тепла заготовок на раскатном поле // Международная научно-практическая конференция "Автоматизированный печной агрегат - основа энергосберегающих технологий металлургии ХХЙ века". - Москва. - 15 - 17 ноября 2000г. - С. 245 - 246;

15. Перерва В.Я. Енергозбереження в нагрівальних печах прокатного виробництва за рахунок тепла заготовок на розкатному поле / Перерва В.Я., Губинський М.В.// Науково-технічна конференція молоді "Запоріжсталь - 2000". - Запорожжя: Запоріжсталь. - 30 листопад - 1 грудень 2000р.- С.72 - 73.

АНОТАЦІЇ

Перерва В.Я. Підвищення ефективності роботи системи «нагрівальна піч - сортопрокатний стан» з використанням енергозберігаючих екранів. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.14.06. - Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. - Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2009.

Дисертація присвячена дослідженню енергоефективних режимів роботи системи «нагрівальна піч - сортопрокатний стан» («піч - стан») шляхом вибору кінцевої температури нагріву заготовок у печі й регламентації теплових втрат при транспортуванні по рольгангу за рахунок установки енергозберігаючих екранів. Розроблено інженерну модель на основі рівняння теплового балансу, що дозволяє оцінити потенційну ефективність керування температурним процесом охолодження розкату. Аналіз розрахункових даних, отриманих по інженерній моделі, дозволив визначити основні фактори, що найбільше впливають на процес охолодження розкату: втрати теплоти випромінюванням і конвекцією - на всій довжині рольгангу, втрати теплоти при контакті з валками - у перших трьох клітях. Розроблено чисельну модель теплообміну між розкатом і теплоізолюючим екраном, що дозволяє визначити температури по розрізу та довжині профілю при прокатуванні, температурні умови роботи екранів різних конструкцій при циклічності роботи обладнання. Для розрахунку теплообміну випромінюванням у системі «рольганг - розкат - екран» застосовувався зональний метод розрахунку. У лабораторних умовах виконано експериментальні дослідження охолодження розкату різного профілю (кутик, швелер) з використанням енергозберігаючих екранів (легковагового та теплоізолюючого). Проведено розрахункові дослідження з вибору раціональної конструкції екранної ізоляції, визначені основні конструктивні характеристики екранів. Виконано оптимізацію роботи системи «піч - стан», у результаті якої отримано оптимальний діапазон температури нагріву заготовок у печі, що забезпечує мінімізацію вартості готового прокату. Визначена очікувана економічна ефективність екранування рольгангу для умов стану 550-2 ВАТ «Дніпропетровський металургійний завод ім. Петровського» за рахунок зниження витрат палива і зниження вигару металу.

Ключові слова: нагрівальна піч, прокатний стан, енергозберігаючий екран, оптимальні режими, собівартість прокату.

Перерва В.Я. Повышение эффективности работы системы «нагревательная печь - сортопрокатный стан» с использованием энергосберегающих экранов. Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06. - Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. - Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2009.

Диссертация посвящена исследованию энергоэффективных режимов работы системы «нагревательная печь - сортопрокатный стан» («печь - стан») путем выбора конечной температуры нагрева заготовок в печи и регламентации тепловых потерь при транспортировке по рольгангу за счет установки энергосберегающих экранов над ним. Разработана инженерная модель на основе уравнения теплового баланса, позволяющая оценить потенциальную эффективность управления температурным процессом охлаждения раската. Анализ расчетных данных, полученных по инженерной модели, позволил определить основные факторы, оказывающие наибольшее влияние на процесс охлаждения раската: потери теплоты излучением и конвекцией - на всей протяженности рольганга, потери теплоты к валкам - в первых трех клетях. Разработана численная модель теплообмена между раскатом и теплоизолирующим экраном, позволяющая определить температуры по сечению и длине прокатываемого профиля, температурные условия работы экранов различных конструкций при цикличности работы оборудования. Для расчета теплообмена излучением в системе «рольганг - раскат - экран» применялся зональный метод расчета. В лабораторных условиях выполнены экспериментальные исследования охлаждения раската различного профиля (уголок, швеллер) с использованием энергосберегающих экранов (легковесного и теплоизолирующего). Проведены расчетные исследования по выбору рациональной конструкции экранной изоляции, определены основные конструктивные характеристики экранов. Выполнена оптимизация работы системы «печь - стан», в результате которой получен оптимальный диапазон температуры нагрева заготовок в печи, обеспечивающий минимизацию стоимости готового проката. Определена ожидаемая экономическая эффективность экранирования рольганга для условий стана 550-2 ОАО «Днепропетровский металлургический завод им. Петровского» за счет снижения расхода топлива и уменьшения угара металла.

Ключевые слова: нагревательная печь, прокатный стан, энергосберегающий экран, оптимальные режимы, себестоимость проката.

Pererva V. Ya. Raising the level of effectiveness of the “heating furnace - section rolling mill” system buy using energy-saving screens. Manuscript.

Thesis for competition of the scientific degree of the Candidate of Technical Science in specialty 05.14.06. - Technical thermal physics and industrial heat and power engineering. - National metallurgical academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2009.

Dissertation is devoted to research of power efficient work conditions of the “heating furnace - section roll” (“furnace - roll”) system according to finite temperature of billet heating in furnace and regulation of heat losses during transportation by rolling-table due to the setting of energy-saving screens. Engineering model has been developed on the basis of heat balance equalization, which allows to estimate ability efficiency of managing the temperature process of roll cooling. The analysis of design value was received in the engineering model. It has allowed to identify the basic factors, which have the most influence on the process of roll cooling: heat losses by means of radiation and convection - on the whole surface of roll-table, heat losses in rollers - in first three stands. Numerical model of heat exchange between roll and heat-insulating screen has been worked out, considering temperature change in circular section and in the length of rolling profile, temperature work conditions of screens of different construction, change of their efficiency with the view of cyclic recurrences work of equipment. In the model the conjugate task of heat exchange in the system “roll - screen” has been solved, taking into consideration heat losses in stands under boundary condition type II. Zone method for calculation of heat exchange by means of radiation in the system “table - roll - screen” was used. The inside heat exchange in roll and screen was considered to. The experimental researches in of roll cooling of different profile (corner, channel) and work of energy-saving screens (light-weight and heat-insulating) have been performed laboratory conditions. Calculation researches have been held on choosing the efficient construction of screen isolation, basic structural characteristics of screens have been identified. The optimization of system “furnace - roll” has been performed and, as the result, the optimal temperature range of heating of billets in furnace, providing minimization of costs of finished rolling has been received.

For estimation of economical efficiency of roll-table screening the aggregative calculation of efficiency of roll-table setting for conditions of mill 550-2 of public corporation «Dnepropetrovsk metallurgical plant named after Petrovskiy”.

Key words: heating furnace, rolling mill, energy-saving screen, optimal conditions, rolling production cost.

Размещено на Allbest.ru