УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В ГОРНЕ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

Полезная модель относится к области металлургии, в частности к доменному производству и системам автоматического контроля и управления доменным процессом.
Известно устройство для измерения температур в горне доменной печи [1]. Оно включает блок термопары, устройство для ввода термопары через отверстие в фурменном приборе и его перемещения в объеме фурменного очага горна доменной печи.
Однако недостатком этого устройства является низкая стойкость термопары в высокотемпературной области фурменного очага (температуры до 2000°С), а также наличие шлака и металла на поверхности чехла термопары, что искажает ее показатели. Требуется также перемещение термопары в объеме фурменного очага для сканирования с определением локальных температур и последующем их осреднением.
Известно также устройство для измерения температуры свода мартеновских печей (шомпольный термозонд), принятое за прототип [2].
Устройство состоит из трех основных узлов: водоохлаждаемого цилиндрического тепломера, фурмы и пневмоцилиндра, приводящего в движение тепломер. При этом фурму устанавливают в кладке свода или стен печи, конец с кольцевым резцом для очистки поверхности тепломера погружают в кладку до внутренней ее поверхности или выдвигают в рабочее пространство. Тепломер выдвигают в рабочее пространство только на время измерений, а затем убирают внутрь фурмы. Налет плавильной пыли при этом очищают кольцевым резцом. Статическая характеристика тепломера характеризуется эмпирической формулой
ш
ф
-12
E=k(t·10+m),
ш
ф
где Е - показания тепломера; t - температура футеровки; k и m -эмпирические коэффициенты.
Однако недостатком этого устройства является необходимость его размещения вблизи футеровки печи, при этом требуется тарировка тепломера в соответствии с уравнением; в конкретных условиях измерительной обстановки в связи с эмпирическим характером основной статической характеристики. Устройство в этом случае предназначено для определения температур футеровки печей.
Технической задачей данной полезной модели является повышение точности измерения температуры в горне доменной печи с одновременным обеспечением функционирования данного устройства для измерения температуры в длительной эксплуатации.
Устройство измерения температуры в фурменном очаге горна доменной печи включает фурменный прибор с подвижным коленом, цилиндрический тепломер, кольцевой резец-очиститель, привод ввода и вывода цилиндрического тепломера в фурменный очаг горна доменной печи, отличается тем, что оно дополнительно включает водоохлаждаемый цилиндрический зонд, водоохлаждаемую опорную фурму с сальником, вычислительный блок и таймер привода ввода и вывода цилиндрического тепломера в фурменный очаг доменной печи, при этом цилиндрический тепломер прикреплен к торцу водоохлаждаемого цилиндрического зонда, который размещен в водоохлаждаемой опорной фурме с сальником, установленной в подвижном колене фурменного прибора, резец-очиститель размещен в торце водоохлаждаемой опорной фурмы, а цилиндрический тепломер соединен с вычислительным блоком, определяющим температуру фурменного очага горна доменной печи в зависимости от значений теплового потока, фиксируемого цилиндрическим тепломером.
T
T
ф
Таким образом, данное устройство основано на измерении локального теплового потока q, фиксируемого цилиндрическим тепломером. Связь этого локального теплового потока q с температурой в горне доменной печи в зоне фурменного очага Т определится следующим образом.
Величина локального теплового потока на поверхности цилиндрического тепломера N представлена зональным уравнением [3]:
ф.N
N
2
4
где b и b - локальные разрешающие коэффициенты радиационного обмена от фурменного очага к поверхности цилиндрического тепломера и от поверхности цилиндрического тепломера, соответственно, Вт/(мК);
K.N
2
4
α - коэффициент теплопередачи конвекцией от фурменного очага к поверхности цилиндрического тепломера, Вт/(м·К);
ф.N
Т - температура фурменного очага вблизи поверхности цилиндрического тепломера, К;
N
T - температура поверхности цилиндрического тепломера, К.
ф.N
С учетом правила взаимности излучения между фурменным очагом и поверхностью цилиндрического тепломера N величина b равна [3]
0
0
-8
2
4
гдe σ - коэффициент излучения абсолютно черного тела, σ=5,67·10Вт/(m·К);
Nф
f - локальный приведенный разрешающий угловой коэффициент от поверхности цилиндрического тепломера N на зону фурменного очага ф;
N
ε - степень черноты поверхности цилиндрического тепломера.
Nф
В связи с замкнутой поверхностью фурменного очага величина f=1, т.е. все излучение от поверхности цилиндрического тепломера N попадает на зону фурменного очага ф.
N
ф
С учетом высокой температуры фурменного очага величиной теплоотдачи конвекцией можно пренебречь. Так как поверхность цилиндрического тепломера водоохлаждаема, то температурой T по сравнению с T можно пренебречь.
T
ф
Тогда связь между тепловым потоком q и температурой T выразится формулой:
T
0
N
ф
4
q=σ·ε·Т ,
откуда
ф
0,5
0,25
где К - коэффициент пропорциональности, К·м/Вт;
N
Степень черноты поверхности материала цилиндрического тепломера определяется, например, по материалам [4]. Так для жароупорной хромоникелевой стали величина ε=0,8.
ф
С учетом сделанных при выводе формулы (3) допущений, величина коэффициента К корректируется путем непосредственного эпизодического сравнения полученной температуры фурменного очага по формуле (3) с температурой, полученной измерением термопарой по методу, изложенному в [1].
При длительном нахождении цилиндрического тепломера в зоне фурменного очага его поверхность может покрываться слоем шлака или брызг металла, поэтому предлагаемое устройство предусматривает лишь кратковременное пребывание цилиндрического тепломера в зоне фурменного очага, определяемого установившимся показателем теплового потока, например, в течение 0,5-1 мин, после чего цилиндрический тепломер удаляется из зоны фурменного очага. При прохождении цилиндрического тепломера через стенку фурменного прибора его поверхность подвергается очистке с использованием кольцевого металлического резца.
Данные о тепловом потоке, определяемом цилиндрическим тепломером, поступают в вычислительный блок и вычисление температуры в зоне фурменного очага с использованием формул (5) и (6) обеспечивается этим вычислительным блоком. Время пребывания цилиндрического тепломера в зоне фурменного очага устанавливается на таймере и реализуется с использованием привода ввода цилиндрического тепломера и вывода его из зоны фурменного очага.
Измерение температуры в горне доменной печи реализуется с помощью устройства, представленного на рис.1-3.
На рис.1 изображена доменная печь с устройством для измерения температуры: горн доменной печи 1; фурменный очаг 2; элементы фурменного прибора: кольцевой трубопровод горячего дутья 3, неподвижное колено 4, подвижное колено 5, трубопровод с соплом 6, дутьевая фурма 7, а также водоохлаждаемый цилиндрический зонд 8; цилиндрический тепломер 9; водоохлаждаемая опорная фурма 10, сальниковое устройство 11, кольцевой резец-очиститель 12, привод ввода и вывода цилиндрического тепломера 13, вычислительный блок 14, таймер 15.
На рис.2 представлен элемент стенки 16 подвижного колена фурменного прибора 5 (см. рис.1) водоохлаждаемая опорная фурма 10, с сальником 11 для предотвращения выбивания горячего воздуха из кольцевого воздухопровода и ввода цилиндрического тепломера 8 и кольцевым резцом-очистителем 12.
На рис.3 показано устройство цилиндрического тепломера 9 измерительного зонда 8 [3].
Оно включает корпус водоохлаждаемого цилиндрического зонда 8, медную кольцевую головку 17, термобатарею с вводами электродов в тело торцевой головки 18 и 19, отводящие провода 20, подвод охлаждающей воды 21.
Устройство работает следующим образом. Водоохлаждаемый цилиндрический зонд 8 через сальник 11, водоохлаждаемую опорную фурму 10, размещенную в подвижном колене 5, и дутьевую фурму 7 вводится в горн доменной печи 1 таким образом, чтобы цилиндрический тепломер 9 размещался в фурменном очаге 2 горна доменной печи 1. В водоохлаждаемый цилиндрический зонд через гибкие шланги подается и отводится охлаждающая вода (рис.1).
В стенке 16 (рис.2) подвижного колена 5 размещается водоохлаждаемая опорная фурма 10 с сальником 11. К торцу водоохлаждаемой опорной фурмы 10 крепится кольцевой резец-очиститель 12, обеспечивающий очистку поверхности цилиндрического тепломера 8 от налипающего на его поверхность шлака при обратном ходе водоохлаждаемого цилиндрического зонда (рис.2).
T
Цилиндрический тепломер 9 крепится к корпусу водоохлаждаемого цилиндрического зонда 8 (рис.3). В торцевой медной головке 17 в глухих отверстиях, перпендикулярных боковой поверхности торцевой головки чувствительного элемента, размещены блоки электродов термопар 18 и 19. Блоки термопар 18 и 19 расположены на различном расстоянии от наружной боковой поверхности торцевой головки 17, при этом термопары 18 и 19 включены дифференциально, образуя термобатарею. Как показано в [3] тепловой поток q на боковую поверхность цилиндрического тепломера связан с перепадом температур термобатареи Δt соотношением
где λ - коэффициент теплопроводности материала боковой части торцевой головки, Вт/(м·К);
δ - расстояние по окружности цилиндра между различным расположением спаев термопар, м;
φ - коэффициент, учитывающий кривизну боковой поверхности торцевой головки 17, влияние сверлений и расположения термобатарей на распространение теплового потока.
T
Таким образом, при известных величинах λ, δ и φ цилиндрическим тепломером определяется тепловой поток q.
Перемещение водоохлаждаемого цилиндрического зонда в направлении горна доменной печи и обратно - до размещения цилиндрического тепломера 9 в опорной водоохлаждаемой фурме 10 обеспечивается приводом ввода и вывода цилиндрического тепломера 13 (см. рис.1).
T
ф
ф
При этом в вычислительном блоке 14 (рис.1) при известном тепловом потоке q (см. уравнение (5)) по уравнениям (3) и (4) определяется искомая температура фурменного очага горна доменной печи Т. Время нахождения цилиндрического тепломера 9 в зоне фурменного очага 2 определяется выходом температуры Т на стационарное показание и реализуется с использованием таймера 15 и приводом ввода и вывода 13. Далее цилиндрический тепломер 9 выводится из зоны фурменного очага и устанавливается в опорной водоохлаждаемой фурме 10. Кольцевой резец-очиститель 12 (рис.1 и 2) обеспечивает очистку поверхности цилиндрического тепломера 9 от налета шлака, пыли и возможных брызг металла. Цикл необходимых измерений температуры фурменного очага, т.е. время ввода цилиндрического тепломера в фурменный очаг определяется технологическими требованиями и реализуется таймером 15, связанным с проводом ввода и вывода цилиндрического тепломера 13 (см. рис.1).
ф
При необходимости дополнительная проверка показаний устройства измерения температуры и уточнение коэффициента К в формуле (3) проводится параллельным эпизодическим сравнением показаний устройства с показателями термопары, вводимой в зону фурменного очага по методике, изложенной в [1].
Пример расчета
T
Тепловой поток, определенный цилиндрическим тепломером в фурменном очаге доменной печи, q=840кВт.
ф
N
В вычислительном блоке определены величина К по формуле (4) при ε=0,8:
и температура фурменного очага по формуле (3):
Полезная модель позволяет повысить точность измерения температуры в горне доменной печи и одновременно обеспечивает длительную эксплуатацию используемого оборудования в системе автоматического управления тепловым состоянием доменной печи.
Библиографические источники
1. Вегман Е.Ф., Жеребин Б.Н., Похвиснев А.Н. и др. Металлургия чугуна. Учебник для вузов. М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. - 774 с.
2. Тулуевский Ю.Н., Нечаев Е.А. Информационные проблемы интенсификации сталеплавильных процессов. - М.: Металлургия, 1978. - 192 с.
3. Лисиенко В.Г. Интенсификация теплообмена в пламенных печах. - М.: Металлургия, 1979. - 224 с.
4. Мастрюков Б.С. Теория, конструкции и расчеты металлургических печей. Т.2 / Под ред. В.А.Кривандина. - М.: Металлургия, 1978. - 272 с.