СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ КЕРНА ПЕЧИ ГРАФИТАЦИИ
METHOD OF DEFINING GRAPHITISATION FURNACE CORE TEMPERATURE

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.
P20
В настоящее время температуру керна печей графитации в области низких температур измеряют с помощью термопар (1). Термопара платино-платинородиевая (ПП) устойчиво работает до температуры 1600°C. Для измерения температуры керна выше 1600°C в основном используется метод оптической пирометрии. Для этого в печь через боковую стену и слой теплоизоляции устанавливают специальную выполненную из графита (заготовка ⌀0170-200×1400 мм) температурную трубу таким образом, чтобы один ее конец входил в керн на 200-250 мм. В заготовке просверливают продольно оси 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 донышка 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», являющийся 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 весом 75-76 кг.
Графит имеет высокую теплопроводность (при t=20°C λ=100 Вт/м°C, при t=2800°C λ=35 Вт/м°C), 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 пирометром 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.
Целью предлагаемого решения является устранение вышеуказанных недостатков.
Поставленная цель достигается следующим образом, по предлагаемому способу измерения температуры керна печи графитации в интервале 1600-3000°C измеряют не непосредственно температуру керна, а температуру в одной или одновременно нескольких точках специального измерительного элемента. Температура горячего конца измерительного элемента в месте его контакта с керном определяется из номограммы зависимости T=f(l), построенной на основании расчетных данных, полученных при измерении в указанных точках измерительного элемента, температур и теплофизических свойств материала, из которого он выполнен. Измерительный элемент выполнен в виде однородного стержня постоянного сечения, изолированного по боковой поверхности, один конец которого находится в прямом контакте с керном печи графитации в месте, температуру которого нам предстоит измерить, а второй его конец поддерживается при постоянной температуре, например при 0°C.
Измерительный элемент рис.2 выполнен из конструкционного графита. Он не меняет своих свойств при многократном нагревании до температуры 2900°C. К тому же конструкционный графит хорошо обрабатывается.
0
Одним из главных условий при применении предлагаемого способа измерения температуры керна и измерительного элемента является обязательное теплоизолирование его по боковой поверхности для того, чтобы к нему не было дополнительного притока или оттока от него тепла в процессе измерения температуры керна печи графитации, а также поддержание холодного его конца при постоянной температуре, например при 0°C. В этом случае измерительный элемент - стержень длиной L и площадью поперечного сечения S является, по существу, частью бесконечной плоской стенки толщиной L. Решение уравнения теплопроводности для стационарного процесса теплопередачи по измерительному элементу, имеющему на концах температуры T и T, имеет вид:
0
где λ - усредненный коэффициент теплопроводности материала измерительного элемента в интервале температур T-T ккал/м°C час.
гор
i
i+1
i
Для материала измерительного элемента с известной зависимостью λ=f(t), в частности для конкретной марки конструкционного графита, легко рассчитать распределение температуры по длине измерительного элемента для любого значения температуры его горячего конца T. Исходим из условия равенства теплового потока Q как в целом по стержню, так и по любой его части Δl, имеющей по концам постоянную разность температур Δt=t-t=const, можно записать при Т=0°C:
2
i
2
i
2
Для каждой температуры горячего конца измерительного элемента T расчет сводится к определению отрезков Δl, которые в сумме составляют длину измерительного элемента  при разбивке всего интервала 0°C-Т°C на n равных частей Δt. Усредненный коэффициент теплопроводности для конкретного интервала 0°C-Т°C
ст
2i
ст
2i
ст
Таким образом, расчетный путь определения температуры горячего конца измерительного элемента, т.е. температуры керна печи графитации, заключается в том, что предварительно для измерительного элемента заданной длины L проводят расчеты по изложенной выше методике с учетом известных теплофизических свойств материала измерительного элемента и получают зависимости T=f(l) для различных температур его горячего конца. Строят кривые T=f(l).
гор
ст
Определение температуры горячего конца измерительного элемента, т.е. контакта его с керном при установке в печь графитации, сводится к измерению температуры в одной или нескольких фиксированных по длине измерительного элемента точках и отысканию на номограмме, которой принадлежат измеренные температуры. А значение температуры T=f(L) на этой зависимости будет температурой керна печи графитации на момент измерения температуры в фиксированных точках измерительного элемента.
Пример конкретного выполнения.
2
Для измерительного элемента в виде цилиндрического стержня диаметром 40 мм и длиной 800 мм, выполненного из графита марки ЗОПГ, по изложенной методике проведены расчеты зависимостей T=f(l) в интервале температур горячего конца 1600-2800°C через каждые 200°C. Использовались данные по коэффициенту теплопроводности для графита ЗОПГ в этом интервале температур. Полученные зависимости для участка измерительного элемента по длине от 400 мм до 550 мм приведены на рис.1. Каждая зависимость помечена, для какого интервала температур она построена.
1
2
1
2
Одновременно измерена температура в двух точках измерительного элемента на расстояниях l=500 мм и l=550 мм от холодного конца t(500)=1000°C и t(550)=1160°C. Уравнение прямой, проходящей через эти точки, т.е. секущей по отношению к зависимости t=f(l), на которой лежат эти точки, имеет вид:
Отсюда значение температуры на пересечении этой прямой с прямой l=800 мм будет:
1
2
Эта температура будет меньше, чем в точке пересечения зависимости t=f(l), на которой лежат измеренные нами в точках измерительного элемента l=500 мм и l=550 мм, на величину t(800)-t'(800)=Δt'.
Из приведенной на рис.1 номограммы определено, что при изменении от 1500°C до 2700°C:
Отсюда имеем:
t(800)=1960·(1+0,00742)=2105,4°C.
Пример по прототипу.
изм
1
2
1
2
В процессе проведения кампании графитации термопара XA, заделанная в элементе на расстоянии 500 мм от холодного конца, показала температуру t=1000°C. Ближние расчетные кривые соответствуют температурам горячего конца T=2000°C и Т=2200°C, причем в сечении l=500 мм этим кривым соответствуют t=952°C и t=1041°C. Из подобия отрезков в сечении l=500 мм и L=800 мм имеем:
изм
Отсюда температура горячего конца для зависимости, которой принадлежит измеренная температура t, определяется:
Таким образом, температура керна печи графитации при измеренной температуре t(500)=1000°С составляет 2108°С.
Значение t(800), полученное в первом примере, очень близко значению t(800), полученному во втором примере, для одной и той же зависимости t=f(l).
Таким образом, предлагаемый способ измерения температуры керна печей графитации является более удобным и более экономичным и с меньшей ошибкой при измерении, чем пирометрический. Его точность соответствует точности измерения термопарой температуры в выбранной точке измерительного элемента. Немаловажно и то, что этот метод позволяет проводить измерения дистанционно, не находясь вблизи печей графитации в условиях загазованности вредными газами. Измерительный элемент тщательно изолирован, поэтому не подвергается окислению в процессе проведения кампаний графитации. Его размеры значительно меньше графитовых труб, поэтому в изготовлении он дешевле.
Источники информации
1. В.П.Соседов, Е.Ф.Чалых. Графитация углеродных материалов. М.: Металлургия, 1987, с.84-86.
2. Свойства конструкционных материалов на основе углерода. Справочник. М.: Металлургия, 1975.