28 / 1 (59), 2011 The brief information about crucibleless furnaces of reflecting type of melting, storage and melt discharge is given. For the purpose of increase of their effectiveness the theoretical calculation on optimization of multilayer brickwork parameters is carried out as well as composition of lining material is chosen. А. т. Волочко, Фти НАН Беларуси, П. С. гРиНчук, итМо НАН Беларуси, г. В. МАРкоВ, А. А. жукоВА, Фти НАН Беларуси УДК 621.74 Пути ПовыШеНия ЭФФективНости раБоты БестигелЬНыХ ПеЧеЙ отраЖателЬНого тиПа Для Плавки, ХраНеНия и выДаЧи расПлава Введение. В последние годы в мировой прак- тике в качестве плавильно-раздаточного обору- дования нашли применение бестигельные печи с верхним отражательным расположением нагре- вателей. Такие печи лишены промежуточной гра- ницы раздела в виде тигля между нагревателем и расплавом, что способствует снижению энерго- потребления. Так, при емкости печи 300–400 кг по алюминиевому расплаву энергопотребление мо- жет быть снижено в 1,5–3,0 раза в сравнении с ти- гельными раздаточными печами [1]. Эффектив- ность работы предлагаемого оборудования также связана с повышением качества литья. Исключе- ние из технологии литья чугунных тиглей снижает брак за счет устранения насыщения расплава же- лезом. В этом случае роль тигля выполняет много- слойная футеровка, являющаяся важным элемен- том их конструкции, которая в значительной сте- пени определяет стоимость, срок службы, качество металла и энергопотребление печного агрегата. Такие печи могут быть использованы в каче- стве плавильного, плавильно-раздаточного и раз- даточного оборудования и позволяют вести плавку металла и осуществлять его непрерывную разливку. В практике алюминиевого литья имеется ряд производств, где перед разливкой расплава из раз- даточной печи необходима его комплексная обра- ботка, которая предусматривает продувку расплава газами при одновременной флюсовой обработке, обработке дисперсными частицами и др. [2]. При этом плавка металла может производиться в боль- ших индукционных печах [3], а раздача металла в формы происходит в печах хранения и выдачи расплава. Заводом электродвигателей «Элласт» (г. Ново- лукомль) совместно с ФТИ НАН Беларуси и ОАО «Минский моторный завод» предложена универ- сальная конструкция отражательной печи, которая позволяет осуществлять все названные выше опе- рации. Анализ конструкции и технологических осо- бенностей работы таких печей показывает, что в качестве путей повышения эффективности их работы могут быть предложены правильный вы- бор состава и оптимизация параметров многослой- ной футеровки, а также определение конструктив- ных особенностей, позволяющих минимизировать тепловые потери. Выбор состава и оптимизация параметров многослойной футеровки. Многослойная футе- ровка печей является важным элементом их кон- струкции. Она в значительной степени определяет стоимость, срок службы и энергопотребление печ- ного агрегата. Например, одним из главных требо- ваний, предъявляемых к футеровке печи, является ее стойкость к воздействию переменной во време- ни высокой температуры, агрессивному действию пыли, шлаков, газов. Тепло, подводимое к футе- ровке со стороны рабочего пространства печи, можно разделить на две составляющие: аккумуля- цию тепла футеровкой и тепловые потери тепло- проводностью в окружающую среду. Согласно имеющимся литературным данным, обычно поте- ри тепла теплопроводностью составляют от 14 до 41% всех потерь [4]. Таким образом, потери тепла через футеровку и, как следствие, расход энергии на покрытие этих потерь значительны. При увели- чении толщины футеровки потери тепла теплопро- водностью снижаются, но возрастают тепловые потери на аккумуляцию, что увеличивает капи- тальные затраты и эксплуатационные расходы на тепловое ограждение печи. Поэтому актуальным / 29 1 (59), 2011 является решение задачи оптимизации футеровки печи с учетом ее теплотехнических, эксплуатаци- онных и стоимостных характеристик. Оптимиза- ция футеровки печи предлагает варьирование при- меняемыми огнеупорными материалами, толщи- ной рабочего внутреннего слоя, тепловой изоля- ции. Все перечисленные параметры – факторы оптимизации. Исследованию данного вопроса посвящен ряд работ, но в них рассматривается в основном одно- мерная футеровка печи, что не отражает реальной ее конструкции и приводит к неизбежным погреш- ностям вследствие не принимаемых в расчет по- терь тепла в неучтенных направлениях. В работе [5] проводилось изучение оптимальной толщины футеровки на модели печи, выполненной из волок- нистых огнеупорных материалов. Полученные ре- зультаты касаются только сравнительного выбора данных материалов. Авторы в работе [6] выполни- ли задачу оптимизации конструкций одномерных многослойных футеровок. Как и в указанной выше работе, плотность теплового потока, проходящего через все слои такой стенки, была принята одина- ковой и постоянной. Это допущение дает значи- тельную погрешность, так как в реальных конструк- циях плотность теплового потока по толщине (от- дельным слоям) многослойной футеровки печи – величина не одинаковая. При разработке конструкции электропечи хра- нения и выдачи расплава СВО-400Р (рис. 1) была проведена оптимизация конструкции многослой- ной футеровки и применяемых для этих целей ма- териалов. На основе принципов оптимизации параметров футеровки печей, которые представлены в работе [7], нами были проведены теоретические расчеты температуры на границах слоев футеровки с уче- том теплообмена излучением, и на этой основе был оптимизирован состав и толщина многослой- ной футеровки. Рассматривалась многослойная фу- теровка, состоящая из слоев различной толщины и материалов. При оптимизации футеровки печи хранения и выдачи расплава решались следующие задачи: • определение оптимальной толщины футеров- ки печи, обеспечивающей уменьшение потерь те- плоты и энергии; • определение и выбор оптимальных последо- вательности разложения и толщины отдельных слоев из огнеупорных и теплоизоляционных мате- риалов. Анализировалось стационарное во времени тем- пературное поле футеровки, когда температура из- меняется только по толщине вдоль координат x, y, z. Нулевым координатам соответствует внутренняя поверхность футеровки рабочего пространства пе- чи с температурой tкл, конечным координатам – на- ружная поверхность футеровки с температурой tнар . Для определения потерь тепла теплопроводно- стью через кладку необходимо учитывать гранич- ные условия первого и третьего рода. При этом за- даются ограничение температуры на наружной по- верхности кладки tнар, условия (закон) теплообме- на и температура в рабочем пространстве печи tкл, а также определяется температура внутренней по- верхности кладки. При оптимизации футеровки печи исходили из уравнения для расхода тепла теплопроводностью через n-слойную плоскую стенку с отличающими- ся площадями, которые имеют вид [8]: (1) где tв, tкл – соответственно температуры окружаю- щего воздуха и внутренней поверхности кладки, °С; Рис. 1. Печь СВО-400Р и ее многослойная футеровка: а – общий вид печи СВО-400 Р; б – многослойная футеровка печи СВО-400 Р 30 / 1 (59), 2011 δi, λi, Fi, Fнар – соответственно толщина, коэффи- циент теплопроводности, средняя поверхность те- плоотдачи i–го слоя, наружная поверхность футе- ровки; aнар – суммарный коэффициент теплоотда- чи от наружной поверхности футеровки печи в окружающую среду, Вт/(м2·К). Здесь суммарная теплоотдача от наружной стенки футеровки в окружающую среду aнар равна теплоотдаче конвекцией aк и излучением aл: (2) где aк, aл – соответственно коэффициенты тепло- отдачи конвекцией и излучением, Вт/(м2·К). Так как в конструкции футеровки стен и пода печи, как правило, имеются отличия по материалу и количеству слоев, их толщине, то оптимизация проводилась отдельно для стенок и отдельно для пода печи. Разработанный на основании уравнений (1) и (2) алгоритм оптимизации позволяет провести оценку различных сочетаний параметров многослойной футеровки и оптимизировать ее при заданных функционально–технических ограничениях. Основ- ными параметрами алгоритма являются располо- жение футеровки и ее элементов в пространстве, толщина огнеупорного слоя, тип огнеупорных и теплоизоляционных материалов и их теплофизи- ческие характеристики, температура в рабочем пространстве печи, температура наружных стенок футеровки, температура окружающей среды. Расчет температур на границах слоев прово- дится в следующей последовательности. В начале задается материал, толщина и число слоев огне- упорных и теплоизоляционных материалов, темпе- ратура в рабочем пространстве печи, температура наружной поверхности футеровки, температура окружающей среды. Задаются и определяются раз- меры рабочего пространства печи. Также опреде- ляются площади наружной поверхности кладки, внутренних и наружных поверхностей слоев футе- ровки, коэффициент теплоотдачи в воздух от на- ружной поверхности кладки. И, как результат, рас- считывается тепловой поток от наружной поверх- ности футеровки в окружающую среду. Для каждого слоя футеровки вычисляются удельные тепловые потоки. При определении тем- пературы внутренней поверхности первого слоя футеровки t0 необходимо использовать заданную эффективную температуру в рабочем пространстве печи. В первом приближении задается температу- ра на границе первого и второго слоев t1 и опреде- ляется для выбранного огнеупорного материала коэффициент теплопроводности λ1. Затем уточня- ется температура на границе слоев t1: 1 1 0 1 1 ,t t q δ = − λ (3) где q1 – удельный тепловой поток для первого слоя футеровки печи, Вт/м2; δ1 – толщина первого слоя футеровки, м. Если принятая и определенная температура на границе слоев не совпадают с заданной степенью точности, то приближение повторяется при задан- ной новой температуре. Аналогичные расчеты про- водят для всех слоев футеровки. Толщина послед- него слоя теплоизоляционного материала уточня- ется исходя из заданной температуры наружной поверхности футеровки tнар и ее площади Fнар. Выбор огнеупорных и теплоизоляционных ма- териалов, последовательности их расположения и толщины слоев футеровки печи хранения и вы- дачи расплава производится до тех пор, пока зна- чения заданной и полученной температуры наруж- ной поверхности не совпадут с определенной сте- пенью точности. На рис. 2 приведены схемы оптимизации мно- гослойной футеровки печи хранения и выдачи рас- плава, выполненные согласно описанному выше алгоритму. Рис. 2. Стационарное распределение температур по стенке футеровки в зависимости от толщины и материала каждого слоя: а – рабочий слой, соприкасающийся с расплавом, вы- полнен из огнеупорного шамота марки ША-5; б – рабочий слой, соприкасающийся с расплавом, выполнен из набивной массы / 31 1 (59), 2011 Исходя из результатов расчета, был определен оптимальный состав многослойной футеровки сте- ны, включающий набивную массу на фосфатном связующем или шамотный огнеупор марки ША-5 (толщина слоя 120 мм), два слоя теплоизоляцион- ного материала на основе муллито-кремнеземистого волокна толщиной 60 мм, один слой шамотного легковеса толщиной 65 мм, один слой теплоизоля- ционного известково-кремнеземистого материала толщиной 60 мм. Была также проведена оценка изменения рас- пределения температуры в многослойной футеров- ке во времени (рис. 3). Из рисунка видно, что температура внешней стенки шамотного кирпича начнет повышаться че- рез 0,3–0,5 ч после заливки алюминиевого расплава, температура внешней стенки материала на основе муллито-кремнеземистого волокна – через 2,5–3,5 ч после заливки алюминиевого расплава, температу- ра внешней стенки шамотного легковеса – через 6–7 ч после заливки алюминиевого расплава. Мак- симум достигаемой температуры поверхности сте- нок многослойной футеровки достаточно точно совпадает с расчетами, проводимыми в стационар- ном режиме. Определение конструкционных особенно- стей, позволяющих минимизировать тепловые потери печи СВО-400Р. Основные тепловые пото- ки потерь тепла будут идти через открытую крыш- ку посредством теплового излучения и через ограждающие стенки печи теплопроводностью. Электрическая мощность нагревателя должна быть не меньше, чем суммарная мощность всех тепло- вых потерь [9]. С целью оптимизации конструкционных осо- бенностей, позволяющих минимизировать тепло- вые потери, была разработана методика расчета теплового состояния печи при выдержке расплава, которая учитывает потери тепла излучением от- крытого зеркала жидкого алюминия. Для вычисления теплового потока излучением необходимо прежде всего найти угловые коэффи- циенты 0ϕ между поверхностью расплава площа- дью AlS и отверстием для забора расплава площа- дью 0S (рис.4): Al Al,01 Al,02 ,S S S= + где Al,02S – площадь поверхности расплава, нахо- дящаяся непосредственно под отверстием для за- бора расплава; Al,01S – оставшаяся площадь. Задача разбивается на две части – нахожде- ние углового коэффициента между отверстием и площадью расплава, не граничащей с отвер- стием 01ϕ , и между отверстием и расплавом, расположенным непосредственно под отверсти- ем 02ϕ . При этом тепловой поток излучением через отверстие для забора расплава можно оце- нить следующим образом: (4) Здесь ε – степень черноты расплава ( ε ∼ 0,7); σ – постоянная Стефана–Больцмана. Анализ задачи в рамках стереометрии позволя- ет получить выражение для расчета коэффициен- тов 01ϕ и 02ϕ : 2 1 1 01 2 21 2 1 1 1 1 2 2 1 1 1 arctg 2 1 1 arctg , 1 1 b A B b b A A B A B B     ϕ = +  − π + +      + +   (5) 1 1 /A a h= , 1 1 2( ) /B b b h= − , (6) Рис. 3. Распределение температуры в многослойной футе- ровке печи во времени Рис. 4. Печь и схема для нахождения угловых коэффици- ентов между поверхностью расплава и отверстием для за- бора расплава: 1 – ножки печи; 2 – металлический корпус; 3 – электрические нагреватели; 4 – футеровка свода печи; 5 – футеровка пода печи; 6 – алюминиевый расплав 32 / 1 (59), 2011 22 2 22 2 02 2 2 2 2 22 2 2 22 2 22 2 2 22 2 22 1(1 )(1 )2 1 ln 2 1 1 arctg 1 1 1 arctg arctg arctg , 1 AA B A B AA B BB BA A B A A BB    ++ +ϕ = + ×  π + +      +  + ×  +      − −  +    (7) 2 2 /A a h= , 2 2 /B b h= , (8) где a1, 1b – соответственно ширина и длина зеркала расплава; a2, 2b – соответственно ширина и длина крышки; h – расстояние между зеркалом расплава и плоскостью крышки. Результаты расчета коэффициентов 01ϕ и 02ϕ в зависимости от расстояния h между зеркалом расплава и плоскостью крышки для геометрии печи приведены на рис. 5, а результаты расчетов потоков тепла излучением через отверстие для за- бора расплава – на рис. 6. При этом принято, что температура поверхно- сти расплава TA1 составляет 750 °С, а степень чер- ноты ε расплава равна 0,7. Как следует из рисунков, потоки тепла из- лучением 01q и 02q достаточно большие и срав- нимы с мощностью нагревателя печи (∼15 кВт). Поток тепла 02q в 3–4 раза больше 01q . Вместе с тем, если поток тепла 01q исключить, т. е. не дать ему выходить наружу, тогда можно полу- чить значительную экономию мощности печи. Осуществить это конструктивно достаточно легко, поставив теплоизолирующую перего- родку. Сейчас оценим тепловые потоки теплопрово- дностью через стенки печи. Распределение темпе- ратур и тепловые потоки найдем в стационарном приближении. Будем полагать, что на внутренней поверхности стенки поддерживается температура, равная температуре расплава тAl. Для нахождения тепловых потоков через стенку печи (для простоты будем рассматривать под печи) используем уравне- ние (1). Применим формулы (1)–(8) для расчета те- пловых потерь печи, геометрическая схема кото- рой при ведена на рис. 4. Примем, что ε = 0,7, а a ≈ 5 Вт/(м2·К). Учтем также, что суммарная площадь стенок печи равна 37 м2, SAl = 0,9 м2, S0 = 0,21 м2, h = 0,04 м2, b1 = 1,55 м, b2 = 0,35 м. Результаты соответствующих расчетов приве- дены в таблице. Зависимость тепловых потоков от геометрических, конструктивных и теплофизических особенностей применяемых материалов Температура расплава, °С Радиационный поток q01, кВт Радиационный поток q02, кВт Тепловой поток через футеровку Общие тепло- вые потери печи, кВт 700 1,9 6,3 0,98 9,2 750 2,3 7,7 1,06 11,1 800 2,8 9,3 1,13 13,2 850 3,3 11,1 1,2 15,6 Как оказалось, результаты расчетов корректно совпадают с экспериментальными результатами, полученными в процессе опытной эксплуатации печи. Так, в частности, температура внешней по- верхности печи тн, согласно расчетам, должна была составлять 40–45 °С, а в ходе экспериментов она не превышала 37–40 °С. Таким образом, разработана методика расче- та теплового состояния печи для выдержки рас- плава алюминия при определенной температуре, на этой основе найдены пути оптимизации ее геометрических размеров и подбора футеровоч- ных материалов. Рис. 5. Зависимость коэффициентов 01ϕ и 02ϕ от расстоя- ния между зеркалом расплава и плоскостью крышки Рис. 6. Зависимость радиационного потока 01q и 02q от рас- стояния между зеркалом расплава и плоскостью крышки / 33 1 (59), 2011 Литература 1. С а д о х а М. А., М е л ь н и к о в А. П. Энергосбережение при производстве отливок из алюминиевых сплавов // Литье и металлургия. 2008. № 2. С. 43–46. 2. В о л о ч к о А. Т., И з о б е л л о А. Ю., О в ч и н н и к о в В. В. Комплексная обработка силуминов дисперсными частицами и атомарным азотом // Литье и металлургия. 2009. № 3. С. 218–226. 3. В о л о ч к о А. Т. Переработка и использование алюминиевых отходов в производстве порошков, паст, композиционных и керамических материалов. Мн.: Белорусская наука, 2006. 4. А б а к у м о в В. Г., Н о в и к о в В. Л. Методы оптимизации конструкции многослойных печных футеровок // Огнеупо- ры. 1983. № 7. С. 45–49. 5. С м у г и н а Л. Н., С т е п а н ч у к В, Ф., К о з л о в А. И. // Веcцi АН БССР. Сер. фiз.-энэрг. навук. 1981. № 2. С. 131–133. 6. А б а к у м о в В. Г., Ц и б и н И. П., Н о в и к о в В. Л. Конструирование экономических футеровок промышленных агрегатов // Огнеупоры. 1987. № 5. С. 822–827. 7. П а р а м о н о в А. М. Научные основы повышения эффективности работы печных агрегатов: Дис. … д-ра техн. наук. Омск, 2007. 8. Справочник теплоэнергетика предприятий цветной металлургии / Под. ред. О. Н. Баргова, З. Л. Берлина. М.: Металлур- гия, 1982. 9. Г р и н ч у к П. С. Математическое моделирование тепловых режимов работы электропечей сопротивления // Инженерно- физический журнал. 2010. Т. 83. С. 28–37.