СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ КЕРНА ПЕЧИ ГРАФИТАЦИИ
METHOD OF GRAPHITIZATION FURNACE CORE TEMPERATURE DETERMINING

Изобретение относится к производству графитированных углеродных конструкционных материалов и графитированных электродов для электрометаллургических печей. Измерение температуры керна печи графитации позволяет оптимизировать процесс, обеспечить своевременное отключение печи. Тем самым повышается качество графитированных материалов, увеличивается выход годных заготовок и снижается расход энергии на тонну графитированных материалов.
20
В настоящее время температуру керна печей графитации в области низких температур измеряют с помощью термопар (1). Термопара платино-платинородиевая (ППр) устойчиво работает до температур 1600°C. Для измерения температуры керна выше 1600°C в основном используют метод оптической пирометрии. Для этого в печь через боковую стену и слой теплоизоляции устанавливают специальную выполненную из графита (заготовка (∅170-200)×1400 мм) температурную трубу таким образом, чтобы один ее конец входил в керн на 200-250 мм. В заготовке просверливают продольно два канала ∅40 мм. Один из них является смотровым, а второй служит для продувки обоих азотом или сжатым воздухом для очистки каналов от конденсирующихся в них оксидов примесных зольных элементов. За температуру керна принимают измеренную оптическим пирометром температуру дна смотрового канала температурной трубы. Пирометрический метод измерения температуры керна печей графитации имеет ряд недостатков. В области температур выше 1800°C точность измерения невысока. В соответствии с паспортом на пирометр марки «Проминь», являющимся одним из лучших для промышленного применения, основная погрешность измерения в интервале температур 1800-3000°C составляет 150°C.
К недостаткам относится и то, что конструкционный графит, из которого выполнена температурная труба, является сравнительно дорогим материалом, а на изготовление трубы, причем одноразового использования, расходуется заготовка массой 75-76 кг. Графит имеет высокую теплопроводность (при t=20°C коэффициент теплопроводности λ=100 Вт/(м⋅°С), при t=2800°C λ=35 Вт/(м⋅°С)), поэтому температурная труба захолаживает часть керна, где расположен ее конец. При продолжительных кампаниях графитации температурная труба часто перегорает в месте ее заделки в стене, и измерения температуры прекращаются, что недопустимо при проведении технологического процесса. Кроме того, измерение температуры керна производится оператором, который находится непосредственно у печи графитации в условиях повышенной загазованности вредными газами, в том числе оксидами азота, углерода, серы, а при процессах химической очистки графита при графитации возможно присутствие хлор- и фторсодержащих газов, например хлористого водорода.
Известен способ определения температуры керна печи графитации в интервале 1600-3000°C (2), отличающийся тем, что измеряют температуру в одной или одновременно в нескольких точках по длине измерительного элемента, выполненного в виде однородного цилиндрического стержня постоянного сечения, хорошо теплоизолированного по боковой поверхности, один конец которого поддерживается при постоянной температуре 0°C, а второй находится в прямом контакте с керном печи графитации. Температуру стержня - тепловода в точке контакта с керном определяют расчетным путем на основе измеренных в нескольких точках температур и данных из номограммы зависимостей распределения температуры по длине стержня Τ=f(1), предварительно рассчитанных для различных температур горячего конца измерительного элемента в интервале 1600-3000°C на основе теплофизических свойств материала, из которого он выполнен. Измерительный элемент выполнен из конструкционного графита, теплофизические характеристики которого хорошо изучены. Данный способ устраняет недостатки пирометрического способа измерения температуры.
0
0
i
Также известен способ определения температуры керна печи графитации, заключающийся в том, что измеряют температуру не менее чем в трех точках по продольной оси графитового теплопроводящего стержня, расположенного между заготовкой и стенкой печи и соприкасающегося с заготовкой (3). В соответствие с патентом, температуру заготовки (керна) вычисляют как значение Т в аналитической зависимости . Постоянные величины Т и A в этой зависимости определяют по одновременно измеренным температурам T(x) в нескольких точках x стержня.
Данный способ также устраняет недостатки, присущие пирометрическому способу измерения температуры керна печи графитации, но, в то же время, он не лишен недостатков. Расчет основан на предположении об экспоненциальном характере распределения температуры по длине стержня в соответствии с предложенным уравнением. Стержень из графита, имеющего высокую теплопроводность во всем интервале измеряемых температур, устанавливается в печи в контакте с заготовкой, находящейся в керне, причем при отсутствии постоянного прижима к ней. Поэтому в процессе графитации, когда происходит усадка материала заготовок, связанная с процессами его кристаллизации, возможен отход стержня от заготовки, что приведет к изменению условий теплопередачи к торцу стержня, а следовательно, и к изменению температурного поля по его длине.
1
2
20
2
Кроме того, на распределение температуры по длине стержня сильно влияют размеры этого стержня-тепловода, особенно его диаметр. Стержень свободно располагается в теплоизоляционном слое, и распределение температуры по его длине определяется условиями его теплообмена с окружающей теплоизоляцией. Тепло в стержень поступает от заготовки, в контакте с которой он находится, через торцевую поверхность, имеющую площадь S=π⋅r, где r - радиус поперечного сечения. Отвод тепла от стержня, определяющий распределение температуры по его длине, осуществляется через боковую поверхность S=2π⋅r⋅l, где l - длина стержня-тепловода (постоянна). Видно, что количество поступающего в стержень тепла зависит от его радиуса r и с ростом r растет быстрее, чем количество тепла, отдаваемого теплоизоляции. Средняя температура стержня растет быстрее с ростом радиуса стержня. Если учесть, что коэффициент теплопроводности теплоизоляции на порядок ниже, чем у графита стержня-тепловода, а также то, что измерение температуры проводится по центральному каналу стержня, распределение температуры по оси стержня-тепловода будет определяться только теплопроводностью материала стержня, причем размеры сечения тепловода будут также играть существенную роль. В области температур выше 1200°C коэффициент теплопроводности графита с ростом температуры падает медленно, почти линейно, следовательно, распределение температуры по стержню имеет почти линейный характер, о чем свидетельствуют и приведенные авторами патента измерения. Соответственно, возникают сомнения в возможности измерения температуры керна выше 1800-2000°C предлагаемым авторами патента способом, поскольку температура по центральной оси стержня во всех точках будет, вероятно, выше 1400°C, то есть предельной даже для термопар типа ППр.
Задачей предложенного технического решения является упрощение процесса определения температуры керна печи графитации, а также повышение точности определения температуры керна печи графитации.
к
1
1
2
2
3
3
а
а
a
2
Предлагаемый способ определения температуры керна печи графитации отличается тем, что измерения температуры проводят одновременно в нескольких, но не менее чем в трех, точках только в теплоизоляционном слое, окружающем керн, по нормали к его поверхности, причем только в той его части, где температура не превышает 1500°C, что позволяет измерять температуру с использованием термопарного метода, применяя в частности платино-родиевые термопары, устойчиво работающие при температуре 1500°C. При этом используют любой способ измерения температуры, например термопарный. Измерения проводят на участке нормали к поверхности керна на длине не менее 0,2 от толщины теплоизоляционного слоя, то есть достаточной для выявления характера зависимости изменения температуры по толщине теплоизоляционного слоя по нормали к стенке керна. На основе результатов измерения температуры в крайних и промежуточных точках выбранного участка нормали находят аналитическую зависимость распределения температуры по длине выбранного участка нормали t=t(x). Найденную аналитическую зависимость распространяют на всю длину нормали к поверхности керна. Температуру керна определяют как значение функции t(x) в точке х, соответствующей расстоянию от точки ввода измерительной термопары на внутренней части стены печи, принятой за начало координат, до боковой поверхности керна по нормали к ней. Проведенные расчеты на основе опытных реальных измерений показали, что наиболее полно измерениям соответствует квадратный трехчлен вида t=⋅х+b⋅x+c, где , b, c - коэффициенты этого трехчлена. Коэффициенты квадратного трехчлена , b, c определяют по измеренной в слое теплоизоляции температуре в трех точках по нормали к поверхности керна (хt), (xt), (xt) из системы уравнений:
Далее приведены примеры опытных конкретных измерений в слое теплоизоляции на печи графитации с керном 1400×1400×12500 мм при толщине боковой теплоизоляции 400 мм и произведенных расчетов температуры керна печи графитации.
Пример 1.
1
2
3
1
2
3
K,расч
K,изм
а
2
На двадцатом часу кампании графитации были измерены температуры в трех точках по нормали к поверхности керна, на уровне его середины, на расстоянии от стенки печи: х=150 мм (1,5 дм); x=250 мм (2,5 дм); х=300 мм (3,0 дм) (значения расстояний для удобства расчетов приведены в дециметрах). Значения измеренных температур составили: t=650°C; t=900°C; t=1085°C. Вычисленные из системы уравнений, составленных по этим трем точкам, коэффициенты трехчлена равны: =90, b=125, c=650. Из полученного уравнения, t=90⋅x+125⋅x+650, находим значение температуры керна при (х=4.0 дм), оно составляет t=1590°C. Измеренное пирометром значение t≈1630°C на момент измерения. Разница между показаниями пирометра и расчетным значением по предлагаемому способу составляет ≈40°C, что соответствует 2,5% от температуры керна печи графитации.
Пример 2.
1
2
3
1
2
3
K
расч
K,изм
a
2
На пятидесятом часу кампании графитации были измерены температуры в трех точках по нормали к поверхности керна, на уровне его середины, на расстоянии от стенки печи: х=50 мм (0,5 дм), x=150 мм (1,5 дм), х=200 мм (2,0 дм). Значения измеренных температур составили: t=900°C; t=1050°C; t=1200°C. Вычисленные из системы уравнений, составленных по этим трем точкам, коэффициенты трехчлена равны: =100, b=50, c=900. Таким образом, уравнение распределения температуры по теплоизоляционному слою имеет вид: . Найденное значение для температуры керна (х=400 мм (4,0 дм)) t,=100⋅4+50⋅4+900=2300°C. Измеренное пирометром значение в той же точке на данный момент времени составило t≈2350°C. Разность определений температуры керна согласно предлагаемому способу и измерений пирометром составила ≈50°C (2,2%).
Таким образом, предлагаемый способ определения температуры керна печи графитации не предполагает использования изделий из высокотемпературных материалов, а использует только стандартные термопары, например термопары ХА. Для случая использования термопар ППр, позволяющих стабильно измерять температуры до 1500°C, возможно увеличить участок нормали, на котором проводятся измерения температур в различных точках теплоизоляционного слоя, что повышает надежность определения температуры керна печи графитации.
0
Следует отметить, что при измерении предлагаемым способом температурное поле в печи графитации не нарушается. Измерения температуры в слое теплоизоляции можно проводить без отключения печи, то есть не нарушая заданного режима нагревания керна. Измерения можно проводить дистанционно. Современная вычислительная техника позволяет очень быстро находить коэффициенты квадратного трехчлена и вычислять температуру керна печи графитации по найденному квадратному трехчлену , где х - координата стенки керна в принятой системе координат (в этом случае от стенки печи по нормали к стенке керна), на основе решения системы уравнений матричным методом Гаусса.