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.

Известен способ измерения температуры керна печей графитации с использованием стержня-тепловода. (1. Патент РФ №2472119) Сущность его заключалась в следующем. Например, для стержня-тепловода ∅40 мм и длиной 800 мм, выполненного из графита ВПГ (высокоплотный графит) предварительно проводились замеры распределения температуры по длине стержня-тепловода при конкретной температуре горячего конца и нулевой температуре холодного конца t_.х.к =0°С. Температура горячего конца варьировалась от 1400°С до 2800°С через каждые 200°С. Использовались табличные данные по коэффициенту теплопроводности, т.е. среднестатистического значения. Расчетные зависимости t=f(x) сводились в номограмму. Предусматривалось при использовании этого способа закладывать одну термопару в точку стержня-тепловода, где расчетная температура по номограмме не должна была превышать допустимую для данной термопары. Один конец стержня-тепловода должен находится в зоне измеряемой температуры, т.е. на границе керна, а второй конец должен выходить из стены печи и был обязан охладиться до 0°С.

Известен способ определения температуры керна печи графитации (2. Патент №2608572 прототип). По данному техническому решению измеряют температуру керна печи графитации в теплоизоляционном слое по нормали к поверхности керна в нескольких, но не менее чем в трех, точках одновременно, причем в той части слоя, температура которой не превышает 1500°С, на их основе определяют аналитическую зависимость распределения температуры на участке измерения температур, и полученную аналитическую зависимость распространяют на всю толщину теплоизоляционного слоя. В качестве аналитической зависимости принимают квадратный трехчлен вида t=a⋅x²+b⋅x+c, причем коэффициенты а, b, с в этой зависимости определяют по одновременно измеренным температурам t(x) в нескольких точках х_i в теплоизоляционном слое по нормали к поверхности керна. При этом длина участка нормали к боковой поверхности керна, на котором проводятся измерения температуры, должна быть не менее 0,2 от толщины слоя теплоизоляции.

Недостатками известных технических решений является следующее:

- использование данного способа в промышленных условиях затруднительно;

- необходимо обеспечить теплоизоляцию стержня по всей боковой поверхности;

- расчет зависимостей T=f(x) для составления номограммы проводится для конкретного материала с известными теплофизическими свойствами, а также для строго определенных размеров самого стержня-тепловода, как по его длине, так и размеров его сечения. При этом необходимо обеспечить заложенные в расчетах величины теплового потока по стержню для каждой из температур «горячего» конца стержня-тепловода. То есть обеспечить постоянную температуру в определенной точке стержня при любых температурах горячего конца.

Все эти условия практически трудно выполнить в производственных условиях.

Целью предлагаемого решения является устранение вышеуказанных недостатков, упрощение и удешевление технологических процессов графитации и химической очистки, автоматизации управления данными процессами.

Предлагается новый способ определения температуры керна в печи графитации включающем измерение температуры одновременно в трех точках по длине стержня-тепловода из графита, один конец которого поддерживается при постоянной температуре 0°С, а второй находится в прямом контакте с керном печи графитации, расчет температуры керна с использованием аналитической зависимости формируемого температурного поля вдоль стержня-тепловода, имеющей вид квадратичного трехчлена Т=ах²+bх+с на основе измеренных данных, отличающийся тем, что что стержень-тепловод состоит из двух частей измерительной, обеспечивающей съем теплового потока находящейся в контакте с керном, по длине которой формируется определенная закономерность

температурного поля, определяемого соотношением: - const, и

охлаждаемой, обеспечивающей необходимые значения q - const в каждый данный момент.При этом измерительная часть стержня-тепловода выполнена из конструкционного графита, а охлаждающая часть из графита любой марки или металла, по форме и размерам сечения может быть отличной от измерительной, но при этом жестко соединенная с ней в стене печи графитации за теплоизоляционным слоем, окружающем керн. А расчет температуры керна печи графитации после значений температуры при λ(Т) - const измерительной части стержня-тепловода, производится по уравнению касательной:

В предлагаемом техническом решении измеряют температуру (Т) одновременно в трех точках T₁(x₁), Т₂(х₂), Т₃(х₃) по длине измерительной части из конструкционного графита стержня-тепловода, находящейся в теплоизоляционном слое печи графитации. Стержень-тепловод имитирует плоскую стенку, для которой в условиях стационарного теплового потока значение:

где λ(Т) - коэффициент теплопроводности при определенной температуре, в каждом любом сечении стержня-тепловода. Вдоль оси стержня-тепловода при протекании тепла формируется температурное поле, жестко связанное с зависимостью λ=f(x). Зависимость f=λ(T) для конструкционных графитов имеет гиперболический характер, что видно из таблиц значений коэффициента теплопроводности λ конструкционных графитов различных марок при различных температурах, (таблица 1. Зависимость коэффициента теплопроводности конструкционного графита марки ЗОПГ при различных температурах)

На основании этого считаем, что зависимость Т(х) имеет параболический характер. Определенное распределение температуры по длине стержня характеризуется аналитическим выражением квадратного трехчлена: Т=ах²+bх+с, где а, b, с - коэффициенты этого трехчлена. Задача заключается в нахождении зависимости Т(х), что просто сделать по измеренным в трех точках измерительной части стержня-тепловода температуры. Коэффициенты «а», «b», «с» легко найти из решения системы линейных уравнений:.

Т₁=ах²₁+bх₁+с

Т₂=ах²₂+bх₂+с

Т₃=ах²₃+bх₃+с

Однако коэффициент теплопроводности λ(Т) конструкционного графита любой марки начиная с конкретного значения Т_конкр., практически не меняется. Это значит, что изменение температуры будет идти линейно по касательной к точке X_конкр, параболы Т(х), соответствующей T_конкр. Значения X_конкр находят по линейному уравнению Т=ах²+bх+с с конкретным значением T_конкр. А дальнейший расчет температуры керна печи графитации начиная с температуры выше T_конкр. проводится по уравнению касательной. Например, как видно из таблицы 1, коэффициент теплопроводности λТ) конструкционного графита марки 3ОПГ начиная с конкретного значения T_конкр., а именно с Т=2000°С практически не меняется. Это значит, что изменение температуры будет идти линейно по касательной к точке X_конкр, соответствующей T_конкр.=2000°С.

Уравнение касательной имеет вид:

Предлагаемый способ измерения температуры керна печи графитации значительно проще и удобнее других известных способов. В нашем случае величина теплового потока не имеет значения, главное, чтобы был поток тепла и обеспечивал формирование температурного поля по длине измерительной части стержня-тепловода. В предлагаемом способе определения температуры керна печи графитации измерение температуры проводят одновременно в трех, точках измерительной части стержня-тепловода только в теплоизоляционном слое, окружающем керн, причем только в той его части, где температура не превышает 1500°С, что позволяет измерять температуру с использованием термопарного метода, применяя в частности платино-родиевые термопары, устойчиво работающие при температуре 1500°С. Затем расчетным методом определяется температура горячего конца стержня-тепловода. Предлагаемый расчетный метод позволяет наиболее точно по сравнению с прототипом и аналогом определить необходимые значения температуры керна печи графитации.

Предлагается использовать стержень-тепловод, состоящий из двух частей - измерительной части, изолированной по боковой поверхности, находящейся в прямом контакте с керном печи, и второй части - охлаждаемой. Соединение измерительной и охлаждаемой части стерженя-тепловода располагается в стенке печи графитации за теплоизоляционном слоем, окружающем керн. Измерительная часть стерженя-тепловода выполняется из конструкционного графита любой марки. Выбор размеров сечения и длин обоих частей свободен. Степень охлаждения охлаждаемой части, по существу, обеспечивает определенный тепловой поток по стержню, который формируется в соответствии с q - const в каждом любом сечении. Охлаждающая часть стержня-тепловода может быть по форме и размерам сечения другой, чем измерительная и выполнена из графита любой марки или металла, для которого теплофизические свойства, в том числе и коэффициент теплопроводности λ(Т) неизвестен. Охлаждаемая часть стержня-тепловода нужна только для обеспечения прохождения необходимого теплового потока, причем произвольного по величине. Но в любом случае, эти две части должны быть жестко соединены друг с другом, чтобы обеспечить движение тепла до «холодильника», располагаемого на охлаждаемой части стержня-тепловода.

В предлагаемом способе не нужно проводить предварительных расчетов, не нужно знать величины тепловых потоков. Выбор начала системы координат не связан с температурой, т.е. не фиксируется температура в какой-то точке. Данные по температуре, получаемые после вычислений по заданным зависимостям, могут быть использованы как для анализа состояния процесса графитации и химической очистки, так и для автоматизации управления процессами. То есть определять автоматически момент начала пуска очистных реагентов, окончания процесса нагревания, регулирования темпа нагрева керна, определения момента отключения печи, отключения пуска очистных реактивов.

Кроме того, предлагаемый способ измерения температуры керна печей графитации является более экономичным и имеет минимальные значения ошибки измерения, чем аналогичные. Способ был опробован на лабораторно-производственном участке заявителя.

Источники информации

1. Патент РФ №2472119 МПК G01K 7/00 опуб. 10.01.2013 года, Патентообладатель АО «НИИграфит».

2. Патент РФ №2608572 МПК С01В 32/215 опуб. 23.01.2017 года,

Патентообладатель АО «НИИграфит» (прототип).