Исследование методов охлаждения садки колпаковой печи с помощью математического моделирования

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.

СОДЕРЖАНИЕ

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.....................................................................

46

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.............................................................

69

2.

Штаты..................................................................

........................... 72

3. Расчет заработной

платы...............................................................

72

ВЫВОДЫ....................................................................

...................................... 80

Список использованныХ

ИСТОЧНИКОВ......................................... 81

ВВЕДЕНИЕ

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 водородно-

азотная 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 |

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5