ГЛАВА 2
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНО-ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ПЕЧЕЙ ГРАФИТАЦИИ
2.1. Задачи проведения экспериментов
Проведенный литературный обзор (см. главу 1) показал, что в практике ведения
процесса графитации обожженных заготовок используется эмпирический метод
подвода электрической мощности. Согласно этому методу технологи применяют
временной график ступеньчатого изменения электрической мощности. Как правило
весь период кампании печи разбивается на несколько этапов с различным темпом
повышения нагрузки за единицу времени. Выбор темпа и количества этапов
определяется на основании имеющегося опыта и пока не имеет строгого расчетного
обоснования.
Проблема расчетного обоснования регламента подвода мощности состоит прежде
всего в том, что до настоящего времени в литературе имеется весьма ограниченное
число данных экспериментальных измерений температуры в печах графитации для
заготовок большого диаметра. С другой стороны, из анализа имеющихся
литературных данных следует, что от времени выдержки графитируемых заготовок
при технологических температурах напрямую зависит качество электродов,
определяемое конечным значением удельного электрического сопротивления.
Предварительный анализ заводской практики ведения технологического процесса при
графитации электродных изделий показал, что поставленная в программе
исследований задача по приведению в соответствие температурного и
электрического графиков позволит:
1.Оценить энергозатраты на достижение температур графитации.
2.Выяснить уровень рабочих температур в печи.
3.Установить технологически оправданный график подвода электрической мощности.
4.Установить характерную точку в рабочей зоне печи, по температуре которой
можно оценивать показатели кампании в целом.
5.Определить резервы энергосбережения.
Разрабатываемая методика и план проведения экспериментальных измерений были
направлены на решение научно-технических задач и отработку техники проведения
высокотемпературных измерений на действующем промышленном объекте в режиме
реального времени.
Научно-технические задачи экспериментальных измерений включали:
определение температурного уровня технологического процесса печи графитации;
сопоставление полученных результатов с теоретическими, которые обосновывают
получение искусственного графита;
оценку теплового состояния печи графитации и резервов энергосбережения;
получение данных для задания граничных условий при разработке численной модели
для прогнозирования температурных полей в керне печи на звершающей стадии
процесса графитации .
Техника проведения эксперимента включала решение следующих вопросов:
выбор средств измерений и определение точек установки термодатчиков и датчиков
теплового потока;
выбор метода и средств измерений расходов охлаждающих теплоносителей;
выбор средств коммутации;
разработку средств защиты измерительных приборов и экспериментатора от
воздействия электрического тока;
разработку схемы подключения датчиков к измерительным приборам.
Следовало иметь в виду, что экспериментальные исследования необходимо было
проводить в высокотемпературной зоне печи, находящейся под напряжением 220 В, и
через которую протекает ток до 100 кА, а также то, что в помещении цеха есть
электропроводная пыль. Поэтому в процессе исследований необходимо было
исключить возможность попадания электрического тока из керна работающей печи на
экспериментатора или незащищенное оборудование, а также исключить попадание
электропроводной пыли на токопроводящие линии и контакты термодатчиков и
измерительных приборов.
2.2. Выбор датчиков и приборов для измерений
Выбор метода измерений и соответствующего аппаратурного оформления определялся
уровнем рабочих температур в печи и возможностью установки термодатчиков в ее
рабочем пространстве.
Технологический процесс графитирования углеродистых материалов относится к
одному из наиболее сложных для экспериментального исследования, т.к. уровни
рабочих температур превышают 2000 °С, что не позволяет применять для
непосредственных измерений датчики температуры известной конструкции.
Проведение пирометрических измерений требует создания специальных устройств,
т.к. высокотемпературная зона недоступна для визуальных наблюдений.
Из анализа изученных литературных данных, а также предварительной оценки
технологического процесса, пространство печи может быть условно разбито на
несколько областей по уровню температур:
А). Керн (тепловыделяющая коксовая пересыпка и заготовки) – максимальные
значения температур выше 2500 °С;
Б). Теплоизоляция - максимальные значения температур до 2000 °С;
С). Конструктивные элементы печи (стены, колонны) – максимальные значения
температур до 1200 °С.
Схематически указанные области показаны на рис. 2.1.
В соответствии с приведенной классификацией температурных зон датчики
температуры выбирались из соображений надежного измерения максимально возможных
температур, т.е:
- в области А (до 1600…1800 °С) - вольфрам-рениевые термопары 5/20 в
карбид-кремниевых чехлах с наполнителями из окиси магния и карбида бора;
- в области В - до 1600…1800 °С - вольфрам-рениевые термопары 5/20 в карбид -
кремниевых чехлах с наполнителем из окиси карбида бора; до 1200 оС -
хромель-алюмелевые термопары в чехлах из нержавеющей стали с наполнителем из
окиси магния;
- в области С (до 1200 °С) - хромель-алюмелевые термопары в чехлах из
нержавеющей стали с наполнителем из окиси магния.
Конструкции вольфрам-рениевых и хромель-алюмелевых термопар представлены на
рис.2.2.
Рис.2.1. Зоны печи графитации по уровню рабочих температур: А - выше 2500 °С; B
- до 2000