Теоретические основы и математическое описание процессов с использованием рекуперации тепла, способов интенсификации плавки и нагрева металлов, страница 2

Поэтому оптимизация режимов подогрева в подобных установках является актуальной. Подогрев шихты до температуры 500-550 °C обеспечивает сокращение удельных затрат электроэнергии на 120-160 кВт·ч или снижение стоимости жидкого металла на 16-20 тыс. руб. за 1 т при годовом производстве 10000 т. экономия только за счет сокращения расхода электроэнергии составляет до 200 млн. руб. (около 100 тыс. дол.), что, примерно, в пять раз превышает стоимость установки подогрева шихты в загрузочной корзине (бадье).

С целью повышения равномерности температуры в данной работе предложены способы ступенчатого нагрева и циркуляции газов. Испытания проводились на установках емкостью 2 и 6 т при верхней подаче теплоносителя (природный газ) и соответственно с одной  и тремя инжекционными горелками производительностью 90 м³/ч каждая. Полученные данные позволяют оценить эти способы как перспективные и рекомендовать их к внедрению.

2.Режим работы установок подогрева

Нагрев кусковых материалов путем продувки теплоносителем – характерный процесс для любых шахтных печей, в том числе установок подогрева шихты. Процесс отличается высокой эффективностью и при правильной организации потока может обеспечить термический к.п.д. на уровне 75-78%. Так как эффективность процесса определяется конвекцией, то количество переданной шихте энергии описывается уравнением:

                                                                                         (1)

Если считать условия движения газового потока, примерно, постоянными, то количество тепла и, соответственно, скорость нагрева () материала будут определяться температурным напором или dt. Отсюда следует, что в начальный момент работы установки при температуре шихты  и постоянной температуре факела  (практическая величина) термический к.п.д. и скорость нагрева максимальная, а по ходу процесса пропорционально росту температуры  и уменьшению перепада температур  термический к.п.д. и эффективность снижаются.

Это явление достаточно четко выявляется при работе любых установок подогрева с неподвижным слоем.  На полученных в процессе испытаний данных (табл.1-2) эта закономерность также четко просматривается.

Отсюда следует, что установки подогрева шихты следует эксплуатировать в так называемом переходном режиме («режим разгона»), не достигая стабилизации. Естественно, это не позволяет получить максимально возможную температуру нагрева, для данных условий возможная температура в режиме стабилизации составила бы, примерно, 900-1000°C. Однако, термический к.п.д. при этом был бы близок к 5-10 %.

Температурное поле в нагреваемом слое хорошо описывается уравнением Фурье для нестационарной теплопроводности:

                                             (2)

Однако его непосредственное применение для характеристики процесса нагрева за счет продувки кусковых материалов (столб шихты) затруднительно. Уравнение относится к процессу передачи тепла теплопроводностью, а здесь конвекция,  - коэффициент теплопроводности слоя здесь, практически, не играет заметной роли, так как скорость передачи тепла конвекцией в десятки раз выше, чем теплопроводностью.

Построение температурных полей в слое нагреваемой шихты показывает, что характер процесса соответствует нагреву тел теплопроводностью при высоких значениях критерия Био (), то есть произведение коэффициента конвективного теплообмена на приведенный диаметр элемента слоя .

В этом случае температурная кривая  является параболой высокого порядка, который снижается по мере прогрева слоя, а сама парабола вращается вокруг точки с температурой факела.

Текущая температура нижнего слоя шихты при данном режиме может быть подсчитана по формуле:

                                          ,                                 (3)

где  - температуры шихты нижнего слоя текущая, начальная и верхнего слоя шихты, h – высота нагреваемого столба шихты.

Энтальпия 1 т шихты (И_ш=с_шGt) при нагреве до 500 °С составляет около 0,650 МДж, что требует сжигания 17-18 м³ природного газа при т.к.п.д., близком к единице.

Этот случай соответствует режиму, когда температура нижнего слоя шихты и отходящих газов близка к начальным значениям  и  (т.е. температуре окружающей среды). Практически такой режим наблюдается первые 5-6 мин. работы установки подогрева (см. табл. 1, 2).