Исследование методов охлаждения садки колпаковой печи с помощью математического моделирования

АННОТАЦИЯ.

Дипломная работа посвящена проблеме исследования влияния систем охлаждения садки на эффективность работы колпаковой печи на Магнитогорском металлургическом комбинате в листопрокатном цехе (ЛПЦ-5) с целью повышения производительности, улучшения экологических и экономических характеристик.

Сокращение удельных энергозатрат обеспечивается за счет введения в эксплуатацию охлаждающих колпаков струйного и импульсного охлаждения.

В современных условиях, в связи со сложной экономической ситуацией в нашей стране, колпаковые печи не всегда выигрышно выглядят на фоне, например термических печей непрерывного действия, так как очень велик временной цикл процесса отжига в данных агрегатах. Для более быстрого протекания процесса охлаждения садки разработаны и исследованы новые устройства. Их внедрение позволит:

1. Уменьшить расход охлаждающей воды для охлаждения электродвигателя.

2. Сократить расход защитной атмосферы и электроэнергии в период охлаждения садки.

3. Повысить производительность печи за счет сокращения длительности периода охлаждения на 15−30%.

В дипломной работе выполнен расчет технико-экономического эффекта от внедрения разработанных мероприятий.

Предложены меры, обеспечивающие безопасность жизнедеятельности оператора, выполняющего математическое моделирование с помощью персонального компьютера.

Дипломная работ изложена на 82 стр., содержит 13 рис., 31 табл., 24 ссылки.

стр.

введение

… … 6.

1. АналитиЧеский обзор литературы… 8.

1.1. Общая характеристика колпаковых печей для светлого отжига полосы ОАО «ММК». … … 8.

1.2.Методы охлаждения металла в колпаковых печах… 16 2. ЭкспериментальнаЯ Часть… 34.

2.1. Методика исследований…

… 34.

1. Описание исследуемого объекта… 34.

2. Адаптация математической модели тепловой работы колпаковой печи…

… 39 3. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ… 45.

3.1.Анализ потенциально опасных и вредных факторов, сопутствующих работе с компьютером…

… 45.

3. Санитарно-гигиеническая и противопожарная характеристики помещения машинного зала…

4. Разработка мер защиты от выявленных опасных и вредных факторов…

… 50.

5. Расчет искусственного освещения… 50.

6. Защита от излучения мониторов… 51.

7. Защита от опасного уровня напряжения в электрической цепи…

… 51.

3.4. Утилизация компьютеров… … 54 4. ТеоретиЧескаЯ Часть … … 55.

8. Изучение влияния вида атмосферы и типа колец на длительность периода охлаждения… … 55.

9. Анализ результатов исследования устройства струйного охлаждения садки…

… 62 Экономика и организациЯ производства… 66 11. Расчет затрат на выполнение.

НИР… 66 12. Расчет экономической эффективности внедрения результатов НИР в производство…

… 67.

1. Себестоимость продукции…

2.

Штаты…

… 72.

3. Расчет заработной платы…

72 ВЫВОДЫ… … 80.

Список использованныХ ИСТОЧНИКОВ

… 81.

Настоящая дипломная работа предполагает решение следующей проблемы: улучшение охлаждения садки колпаковой печи и включает рассмотрение основных факторов, влияющих на скорость охлаждения и качество получаемого, в конечном счете, готового материала. В связи с этим, имеет смысл изучить влияние изменения, усовершенствования или возможного комбинирования наиболее важных факторов в период охлаждения садки в цикле термообработки металла в колпаковой печи.

Дипломная работа выполнялась на математической модели отжига в колпаковой печи, разработанной на кафедре «Теплофизики и Экологии металлургического производства» Московского Государственного института стали и сплавов (Технологического Университета) профессором кафедры Мастрюковым Б. С. и доцентом Гусевым Е. В., по данным экспериментов в ЛПЦ-5 (листопрокатный цех — 5) ММК (Магнитогорского металлургического комбината).

Термообработка холоднокатаного листа является важнейшей операцией четвертого передела и выполняется в двух видах агрегатов: протяжных и колпаковых печах. Протяжные печи имеют ряд преимуществ перед колпаковыми; высокая производительность, более однородные свойства по длине полосы, лучшая поверхность и планшетность готового листа. Однако эти агрегаты дороги в эксплуатации, требуют очень высоких капитальных затрат и практически предназначены для реализации только одного вида технологического процесса. В России и странах СНГ более 70% холоднокатаного листа проходят ТО (термообработку) в колпаковых печах, которые, таким образом, являются в настоящее время основным агрегатом, определяющим эффективность (удельные затраты энергоносителей и качества листа) работы листопрокатных цехов.

АО «ММК» имеет в своем составе три цеха холодного проката с отделениями колпаковых печей для термообработки рулонов по азотной технологии отжига:

1. ЛПЦ-3 — 53 трехстопных стенда с годовым производством до 600 тысяч тонн;

2. ЛПЦ-5 — 300 одностопных стендов с годовым производством до 1 миллиона.

500 тысяч тонн;

3. ЛПЦ-8 — 108 одностопных стендов с годовым производством 300 тысяч тонн.

ОАО «Магнитогорский калибровочный завод» имеет также 108 одностопных колпаковых печей с азотной технологией отжига ленты.

Указанные выше печи пущены в период 1956;1970 г. г., морально и физически устарели, а главное, их продукция начинает не удовлетворять по потребительским свойствам заказчиков. Кроме того, высокие удельные затраты тепла, низкая производительность, большие затраты на ремонт и обслуживание требуют введения новых улучшенных технологий, каковой является водородноазотная технология отжига.

Задачей дипломной работы является изучение эффективных возможных методов охлаждения и определения с помощью математической модели основных направлений модернизации существующих колпаковых печей: внедрение колпаков струйного охлаждения, влияние радиационно-конвективных колец и переход на водородную технологию отжига металла.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

Общая характеристика колпаковых печей для светлого отжига полосы.

ОАО «ММК».

Основная область применения колпаковых печей — светлая термическая обработка рулонов стальной полосы. Колпаковые печи классифицируют по количеству стоп (из листов, рулонов, бунтов) металла, которые располагают на одном стенде и накрывают одним колпаком: одно-, двух-, трехстопные, многостопные. Основным типом печей является одностопная печь для отжига рулонов полосы. Под муфелем размещают несколько рулонов по высоте. Циркуляционный вентилятор подает защитный газ снизу в зазор между муфелем и рулонами. Для доступа защитного газа к торцевым поверхностям рулонов между ними устанавливают конвекторные кольца, в которых имеются каналы переменного сечения. Через эти каналы защитный газ попадает во внутренние полости рулонов, омывает их и возвращается в циркуляционный вентилятор. Исследования таких печей показали, что в наихудших условиях нагрева и охлажения находится нижний рулон, поэтому все расчеты теплообмена производят применительно к нижнему рулону. В колпаковых печах садку, установленную на стенде и закрытую муфелем, подвергают светлой термической обработке, включающей периоды нагрева, выдержки и охлаждения. В периоды нагрева и выдержки на стенд устанавливается нагревательный колпак, в котором имеются горелки. Под муфель подают защитный газ с принудительной циркуляцией для ускорения и повышения равномерности нагрева. После окончания периодов нагрева и выдержки нагревательный колпак снимают и переносят на следующий стенд, а садка под муфелем начинает охлаждаться. Для ускорения охлаждения применяют различные средства: поливку муфеля водой, обдувку муфеля воздухом под колпаком ускоренного охлаждения, охлаждение защитного газа в водяных холодильниках. При нагреве металла в колпаковой печи тепло к наружной поверхности садки передается излучением от муфеля и конвекцией от защитного газа, а к наружной поверхности муфеля излучением и конвекцией от продуктов сгорания и излучением от кладки нагревательного колпака. При охлаждении, наоборот, тепло от садки передается конвекцией к защитному газу и излучением к муфелю, а от муфеля в окружающую среду.

В основном колпаковые печи применяются в тех случаях, когда продолжительность цикла термообработки очень велика, и служит для массовой термообработки (ТО), поэтому в печном отделении располагают большое число печей (стендов), иногда несколько сот штук. Наиболее продолжительным в цикле термообработки является период охлаждения, который в 2−3 раза превышает период нагрева и выдержки. Поэтому один нагревательный колпак обслуживает несколько стендов /1/.

ОАО «ММК» в настоящее время включает 3 цеха холодного проката, в которых установлены колпаковые печи для отжига плотносмотанных рулонов: ЛПЦ- 3 — 159 (53 трехстопных стенда); ЛПЦ-5 — 300 стендов; ЛПЦ-8 — 108 стендов. Кроме этого планируется новый современный цех ЛПЦ-11 (стан 2000), включающий в свой состав колпаковые печи нового типа фирмы «ЛОИ ЭССЕН», реализующие водородную технологию.

Ниже в табл. 1 представлены основные характеристики КП (колпаковой печи) ЛПЦ-3 и ЛПЦ-5, так как эти печи построены достаточно давно (ЛПЦ-3 — 1956 г., ЛПЦ-5 — 1970 г.), морально устарели и в значительной степени физически изношены.

Из табл. 1 следует, что КП ЛПЦ-3 и ЛПЦ-5 характеризуются высокими удельными затратами тепла, низкой производительностью (это особенно относится к КП ЛПЦ-5), значительным перепадом температур по отдельным рулонам и по садке в целом.

Таблица 1.

Характеристика действующего парка отделений отжига ММК.

|№ | Наименование |Цех | |п/п| | | | | |ЛПЦ-3 |ЛПЦ-5 | |1 |2 |3 |4 | |1 |Тип печи |трехстопная |одностопная | |2 |Число стендов, шт. |53 (159 стоп) |300 | |3 |Число нагревательных колпаков, шт.|21 |120 | |4 |Год ввода в эксплуатацию |1956 |1970 |.

Продолжение табл. 1 |1 |2 |3 |4 | |5 |Характеристика рулонов: | | | | |диаметр (наружный/внутренний), мм |1800/500 |1900/800 | | | |0,2−0,63 |0,45−3,5 | | |толщина, мм |620−920 |1250−2350 | | |ширина, мм |14/13 |30/22,7 | | |масса (максимальная/средняя), т | | | |6 |Масса садки |170/156 |100/69,8 | | |(максимальная/средняя), т | | | |7 |Производительность отделения |600/445 |1355/1534 | | |(проектная/фактическая), тыс. |(1983 г) |(1984 г) | | |т./год | | | |8 |Производительность стенда, т/ч |1,65 |0,61 | |9 |Мощность электродвигателя | | | | |циркуляционного вентилятора, кВт |13 |14 | |10 |Тип конвекторных колец |конвективные (высота 70 мм) | |11 |Способ охлаждения: муфеля с садкой|естественная конвекция, | | | |циркули- | | |рулонов под муфелем |рующая защитная атмосфера (без| | | | | | | |водяного холодильника) | |12 |Режим отжига: | | | | |температура нагрева |580−660 |680−720 | | |(по стендовой термопаре), 0С |(660 по | | | | |термопа- | | | | |ре, | | | |температура охлаждения под |зачеканенной | | | |муфелем, 0С |в верхний |120−160 | | | |рулон) | | | | | | | | | |150−180 | | |13 |Время, ч: | | | | |отжига |90−96 |120−160 | | |нагрев+выдержка |36−38 |50−60 | | |охлаждения |55−57 |65−75 | |14 |Топливо |природный газ | |15 |Расход топлива на печь, куб. м/ч |160 |140 | |16 |Расход защитного газа на печь, | | | | |(максимальный), куб. м/ч |30 |30 | |7 |Расход воды на стенд, куб. м/ч |2,5 |1,13 |.

Продолжение табл. 1 |1 |2 |3 |4 | |18 |Удельные расходы энергоносителей: | | | | |условное топливо, кг.у.т./т |34−36 |50−54 | | |защитный газ, куб. м/т |18 |18 | | |электроэнергия, кВт. ч/т |23 |26,5 | | |технически чистая вода куб. м/т |2,56 |3,0 |.

Учитывая, что КП еще значительное время будут оставаться основным средством для получения отожженного холоднокатаного листа в России и тот факт, что создана современная водородная технология отжига, которая резко повышает конкурентоспособность КП к агрегатам непрерывного отжига, а также возросшие исключительно жесткие требования к снижению удельных затрат энергоносителей, техническое перевооружение отделений КП ЛПЦ-3 и ЛПЦ-5 приобретает первостепенное значение.

Большинство азотных колпаковых печей РФ (Российской Федерации) и стран СНГ (Содружество Независимых Государств) физически изношены и морально устарели. Переоснащение этого громадного парка (около 2400 стендов) требует создания более гибкой технологии отжига: водородно-азотной.

Работа КП на водородной основе обеспечивает получение уникальных по качеству поверхности свойств готового листа при низких удельных затратах энергии и защитного газа в сочетании с высокой интенсивностью процесса. /9/.

Печи с водородной технологий отжига выпускаются рядом успешно осваивающих наш рынок зарубежных фирм, в их числе «Эбнер» (Австрия) и «ЛОИ» (Германия).

В России водородные колпаковые печи (без циркуляции атмосферы), разработанные Харьковским отделением ВНИИЭТО, работают на НЛМК при получении электротехнических сталей /2/.

Сооружение головного образца одностопной колпаковой печи отечественной конструкции в цехе жести Магнитогорского металлургического комбината позволит отработать конструктивные решения узлов и систем печи, автоматизированной системы управления температурным и газовым режимами и автоматики безопасности и решить следующие задачи: Увеличить производительность печи; Улучшить качество металла; Обеспечить возможность проведения гарантированного отжига рулонов по заданным параметрам на требуемое качество металла; Улучшить технико-экономические показатели работы печи.

Впервые сооружаемая одностопная двухстендовая колпаковая печь представляет собой азотно-водородную печь, конструкция которой позволяет проводить отжиг стопы рулонов жести по комбинированной технологии, а именно, как по азотной, так и по водородной. Печь проектировалась с учетом возможности реконструкции парка колпаковых печей ЛПЦ-3 ММК. Для этого предусмотрена установка двухстендовой одностопной печи вместо действующих трехстопных печей /3/.

Печи используются для рекристаллизационного отжига рулонов холоднокатаной стальной полосы в атмосферах азотного или водородного защитного газа. Рулоны массой 15 т из углеродистой стали обыкновенного качества, качественной углеродистой, полиграфической или кинескопной сталей с размерами полосы шириной 600−1000 мм и толщиной от 0,2 до 0,8 мм при наружном диаметре 1860 мм (500 мм — внутренний) подвергаются отжигу при температуре 620−710 0С в зависимости от марки металла /14/.

Печь включает: 2 стенда, нагревательный колпак, 2 муфеля, колпак ускоренного охлаждения, 2 комплекта радиационно-конвективных конвекторных колец, АСУ ТП (автоматизированные систему управления технологическим процессом), в том числе и микропроцессор. В табл. 2 приведены основные технические характеристики печи (расход топлива, приведенный к нормальным условиям).

Таблица 2.

Техническая характеристика одностопной азотно-водородной колпаковой печи.

|Наименование |Величина | |1 |2 | |Назначение печи |Рекристализационный отжиг рулонов в | | |атмосфере | | |азотного или водородного защитного газа |.

Продолжение табл. 2 |1 |2 | |Температура отжига, 0С |620−710 | |Гарант. перепад при 100−1200С |5−10 | |Размеры садки, мм: диаметр |1860 | |высота |4000 | |Масса (максимальная), т |60 | |Производительность стенда, т/ч: | | |- азотная технология |1,0−1,15 | |- водородная технология |1,2−1,40 | |Тепловая мощность | | |нагревательного колпака, кВт |910 | |Система отопления печи |Инжекционно-атмосферные горелки, | | |установленные в двух уровнях по высоте | |Топливо — природный газ |природный газ | |- теплотворная способность, |34,12 (0,21 | |Дж/м3 |65 | |- давление, кПа |96 | |- расход, куб. м/ч | | |защитный газ |водородный |азотный | | |(диссоц. аммиак) | | |- состав, % |75 Н2; 25N2, |5 Н2, 95 N2, | | |.