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

2.1.1. Описание исследуемого объекта..................................................... 34

2.1.2. 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

3.2. Санитарно-гигиеническая и противопожарная характеристики

помещения машинного зала..................................................................... 46

3.3. Разработка мер защиты от выявленных опасных и вредных

факторов..................................................................................................... 50

3.3.1. Расчет искусственного освещения................................................... 50

3.3.2. Защита от излучения мониторов..................................................... 51

3.3.3. Защита от опасного уровня напряжения в электрической

цепи............................................................................................................ 51

3.4. Утилизация компьютеров.................................................................... 54

4. ТеоретиЧескаЯ Часть ............................................................................... 55

4.1. Изучение влияния вида атмосферы и типа колец на длительность

периода охлаждения.................................................................................. 55

4.2. Анализ результатов исследования устройства струйного

охлаждения садки..................................................................................... 62

5. Экономика и организациЯ производства................................... 66

5.1. Расчет затрат на выполнение НИР.................................................... 66

5.2. Расчет экономической эффективности внедрения результатов НИР

в производство........................................................................................ 67

5.2.1. Себестоимость продукции............................................................. 69

5.2.2. Штаты............................................................................................. 72

5.2.3. 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

1.1 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

Продолжение табл. 1

Продолжение табл. 1

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 ⁰ С 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

Продолжение табл. 2

Продолжение табл. 2