СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ КЕРНА ПЕЧИ ГРАФИТАЦИИ

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.

В настоящее время температуру керна печей графитации в области низких температур измеряют с помощью термопар (1). Термопара платино-платинородиевая (ППр₂₀) 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.

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 Т₀ в аналитической зависимости . Постоянные величины Т₀ и A в этой зависимости определяют по одновременно измеренным температурам T(x) в нескольких точках x_i 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.

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 S₁=π⋅r², где r - радиус поперечного сечения. Отвод тепла от стержня, определяющий распределение температуры по его длине, осуществляется через боковую поверхность S₂=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 ППр₂₀.

Задачей предложенного технического решения является упрощение процесса определения температуры керна печи графитации, а также повышение точности определения температуры керна печи графитации.

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_к, 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=а⋅х²+b⋅x+c, где а, b, c - коэффициенты этого трехчлена. Коэффициенты квадратного трехчлена a, b, c определяют по измеренной в слое теплоизоляции температуре в трех точках по нормали к поверхности керна (х₁t₁), (x₂t₂), (x₃t₃) 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.

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: х₁=150 мм (1,5 дм); x₂=250 мм (2,5 дм); х₃=300 мм (3,0 дм) (значения расстояний для удобства расчетов приведены в дециметрах). Значения измеренных температур составили: t₁=650°C; t₂=900°C; t₃=1085°C. Вычисленные из системы уравнений, составленных по этим трем точкам, коэффициенты трехчлена равны: а=90, b=125, c=650. Из полученного уравнения, t=90⋅x²+125⋅x+650, находим значение температуры керна при (х=4.0 дм), оно составляет t_K,расч=1590°C. Измеренное пирометром значение t_K,изм≈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.

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: х₁=50 мм (0,5 дм), x₂=150 мм (1,5 дм), х₃=200 мм (2,0 дм). Значения измеренных температур составили: t₁=900°C; t₂=1050°C; t₃=1200°C. Вычисленные из системы уравнений, составленных по этим трем точкам, коэффициенты трехчлена равны: a=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_K,_расч=100⋅4²+50⋅4+900=2300°C. Измеренное пирометром значение в той же точке на данный момент времени составило t_K,изм≈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.

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 х₀ - 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.