Шомпольный термозонд представляет собой устройство периодического действия, служащее для измерения интегральной интенсивности падающего теплового потока по температурному перепаду в стенке теплоприемника, охлаждаемого с внутренней стороны водой. Механический автоматизированный привод обеспечивает периодическую очистку наружной поверхности теплоприемника от любых отложений. Теплоприемник достаточно близок к теплоприемнику сферического излучения. Он имеет форму удлиненного цилиндра, причем рабочей является его боковая поверхность, это конструктивно облегчает очистку и дает возможность относительно просто путем увеличения длины теплоприемника практически полностью избавиться от стоков тепла, минующих его чувствительный элемент.

Конструктивные особенности

Термозонд состоит из трех основных узлов (рис.9): водоохлаждаемого цилиндрического шомпола 1 с чувствительным элементом на конце, водоохлаждаемой фурмы 2 пневмоцилиндра 3, приводящего в движение шомпол. Фурму устанавливают в кладке свода или стен печи, с кольцевым резцом 4 для очистки поверхности шомпола погружают в кладку до внутренней его поверхности или выдвигают в рабочее пространство. В отличие от станционарных тепломеров чувствительный элемент прибора выдвигает вместе с шомполом в рабочее пространство печи только на время измерения, а затем убирают до следующего замера внутрь фурмы. В результате кратковременного погружения шомпола в печь поверхности чувствительного элемента загрязняется незначительно, точность измерения не снижается. Небольшой налет плавильной пыли, брызг металла и шлака, успевший образоваться на цилиндрической поверхности чувствительного элемента во время измерения, очищают кольцевым резцом 4. Таким образом устраняется основное препятствие, мешавшее успешному применению водоохлаждаемых приборов полусферическому излучения в сталеплавильных печах. В принятой компановке термозонда жесткое соединение пневмоцилиндра с фурмой полностью освобождает кладку печи от усилий, развивающихся на штоке поршня при очистке шомпола.

Шомпол 1 охлаждается водой, поступающей к его штецерам по гибким шлангам. Чувствительным элементом шомпола служит дифференциальная батарея миниатюрных хромель-алюмелевых термопар 5, горячие и холодные спаи которых расположены на разных расстояниях от наружной поверхности шомпола в глухих концах соответственно наклонных и прямых отверстий 6, высверленных с торца термоцилиндра 7 по всей его окружности. Таким образом, термобатарея фиксирует температурный перепад по толщине цилиндрической стенки термоцилиндра между заданными ее сечениями. Этот перепад температуры ∆t определяется удельным тепловым потоком, проходящим через стенку теплоприемника, который в свою очередь связан с величиной падающего теплового потока. Торец термоцилиндра 7 закрыт медным наконечником 8, наружный буртик которого защищает кольцевой паз 9, соединяющий все отверстия 6 с трубками 10, служащими для вывода концов термобатареи.

Рис. 9. Схема шомпольного термозонда.

Принципы действия

В температурных условиях рабочего пространства сталеплавильной печи собственным излучением шомпала, температура наружной поверхности которого не превышает 500° С, можно пренебречь. Поэтому температур перепад темпертур ∆t между сечениями термоцилиндра в которых расположены горячие и холодные спаи термопар определяется уравнением:

λ_ш — коэффициент теплопроводности стенки термоцилиндра;

δ — расстояние между сечениями термоцилиндра, в которых расположены горячие и холодные спаи;

φ — коэффициент, учитывающий кривизну стенки, влияние сверлений и термобатареи на распространение теплового потока;

α_ш — поглощательная способность поверхности термоцилиндра;

q_пад^ш_; q_кон^ш — падающие на поверхность термоцилиндра удельные лучистый и конвективный тепловые потоки.

Из уравнения Теплового баланса участка внутренней поверхности футеровки, расположенного вблизи шомпола

можно получить выражение для ее абсолютной температуры:

δо — константа черного излучения;

ε_ф, α_ф - степень черноты по излучению и поглощательная способность поверхности футеровки;

q_пад^ф, q_кон^ф - тепловые потоки, падающие на поверхность футеровки (лучистый и конвективный);

q_пот^ф, q_акк^ф - тепловой поток, теряемый в окружающую среду, и поток аккумулируемый кладкой;

q_пр^ф - тепловой поток, проходящий через внутреннюю поверхность футеровки, равный

q_пот^ф + q_акк^ф

Тепловоспринимающие поверхности чувствительного элемента шомпола и участка футеровки вблизи термозонда ориентированы пространстве неодинаковы, так что соответствующие угловые коэффициенты между этими поверхностями и факелом, дугами, кладкой, водоохлаждаемыми конструкциями и другими элементами рабочего пространства,сильно отличающимися по температуре различны. В связи с указанными особенностями успешно в метрологическом отношении применение шомпольных термозондов требует соблюдения основных условий вытекающих из анализа определяющих уравнений теплообмена, относящихся к шомполу и футеровке

Во-первых, так же как в случае применения торцовых датчиков полусферического излучения, необходимо, чтобы конвективные тепловые потоки q_пад^ш_; q_кон^ш поток (q_пот^ф +q_акк^ф)проходящий через внутренне поверхность кладки, были весьма малы по сравнению с лучистыми потоками q_пад . Во-вторых, необходима достаточно высокая степень изотропности лучистого поля печи вблизи футеровки, обеспечивающая равенство тепловых потоков на футеровку q_пад^ф и на шомпол q_пад^ш или по крайней мере достаточно тесную корреляционно зависимость между ними. Только при этих условиях постоянстве коэффициентов, входящих в уравнения, зависимость между tф и показаниями датчика Eш изменяющимися прямо пропорционально ∆tш становится практически однозначной.

Расчеты показывают, что на сталеплавильных печах первое условие всегда выполняется с достаточной точностью. Исследования, проведенные на мартеновских печах при помощи специальных датчиков, измеряют одновременно потоки q, подтвердили соблюдение и второго условия. Было установлено, что эти потоки близки по величине и связаны тесной пропорциональной зависимостью, одинаковой для любых периодов плавки. При высоких значениях оптической плотности и излучающей способности сильно запыленных газов, заполняющих рабочее пространство печи равенство q_пад^ф = q_пад^ш соблюдается с большой точностью. Такие условия измерения tф, типичные для современных сталеплавильных агрегатов, являются идеальны применении шомпольных термозондов.

Установка шомпольных термозондов на сталеплавильных печах

При выборе места установки шомпольных термозондов необходимо учитывать неравномерность температурного поля футеровки печи. Распределение температур по внутренней поверхности сводов мартеновских печей подробно исследовали как в СССР, так и за рубежом. Результаты, полученные в различных работах, хорошо согласуются между собой. Перепад температур по ширине свода незначителен, он не превышает 30—40° С, причем более высокую температуру наблюдают обычно у задней стенки. Разности температур по длине свода также невелики. В периоды прогрева, плавления и доводки они не превышают 50—60° С, причем максимум температуры можно наблюдать как у подводящей, так и у отводящей головки. Значительные перепады температур по длине свода достигающие в отдельных случаях 100—150° С, возникают только при завалке лома, причем зона максимальных температур в этот период всегда располагается у подводящей головки. Это наблюдается обычно при недостаточно высоких тепловых нагрузках и объясняется резким снижением температуры газов, по длине печи вызванным заполнением рабочего пространства холодным ломом. В соответствии с этими данными на мартеновских печах, как правило, устанавливают по одному шомпольному термозонду вблизи центра свода или у задней стенки на поперечной оси ванны, поскольку температуры в этих точках достаточно близки к средним. Аналогичным образом на двухванных печах устанавливают два термозонда — по одному на каждую ванну.

Значительно большую неравномерномть температурного поля футеровки наблюдают на дуговых печах. Однако в этом случае целесообразной оказалась установка 1 термозонда в верхней части кладки стен против наиболее нагруженной фазы (рис. 9). Установка термозонда вблизи точки, для которой характерны максимальные значения t ф, не является обязательной. При выборе места установки датчика необходимо учитывать и удобство его эксплуатации, которые могут иметь решающее значение. Практика показала, что поддержание контролируемой точке рациональной для данных условий температуры футеровки обеспечивает значительное повышение стойкости печи и стабильное поддержание её на заданном уровне и в тех случаях, когда точка контроля не лежит в зоне максимальных значений tф.

Шомпольный термозонд не содержит узлов, требующих повседневного ухода в процессе нормальной, эксплуатации. Это выгодно отличает его от всех других датчиков температуры футеровки. Периодически, но реже двух-трех раз в месяц, а на печах с автоматическим регулированием температуры футеровки — двух раз в неделю сверяют показания шомпольного термозонда показаниями оптического пирометра. При обнаружении систематических расхождений, превышающих 30С показания термозонда корректируют.

Рис. 9 . Установка шомпольного термозонда

1 – фурма; 2 – шомпол; 3 - пневмоцилиндр

Вторичный прибор Диск 250

· Универсальность: измерение, регистрация, сигнализация, регулирование

· Хорошо видимая издалека круговая шкала

· Широкая гамма применяемых входных сигналов: термопары, термопреобразователи сопростивления, mВ, mА

· Непрерывная линия регистрации на диаграмном диске

· На передней панели расположены оси переменных резисторов для задания уставок

· Светодиодная индикация включения прибора, обрыва датчика, состояния сигнализирующих и регулирующих устройств

· Простота эксплуатации и ремонта

Рис. 10. Диск 250

Таблица 3.

Заключение

В настоящее время при поточном сталеплавильном производстве в сверхмощных дугосталеплавильных печах измерять температуру свода печи необходимо, но есть более дешевый и удобный метод: измерять температуры воды, водоохлаждаемого свода, при сливе, которая не превышает 50^°С, что приводит к увеличению стойкости свода до 5000-6000 плавок.

Список литературы

1. Бигеев А.М. Металлургия стали / А.М. Бигеев, В.А. Бигеев // Учебник для вузов. - Магнитогорск: МГТУ, 2000. - 544 с.

2. Поволоцкий Д.Я. Электрометаллургия стали и сплавов / Д.Я.Поволоцкий, В.Е.Рощин, Н.В.Мальков // Учебник для вузов. - М.: Металлургия, 1995. - 592 с.

3. Поволоцкий Д.Я. Основы технологии производства стали / Д.Я.Поволоцкий // Учебное пособие. - Челябинск: ЮУрГУ, 2000. - 189 с.

4. Еланский Д.Г. Тенденции развития электросталеплавильного производства / Д.Г.Еланский // Электрометаллургия. - 2001. - №5. - С.3-18.

5. Еланский Д.Г. Передовые технологи производства стали / Д.Г.Еланский // Электрометаллургия. - 2005. - №10. - С.42-48.

6. Лопухов Г.А. Новая система подогрева лома для дуговой сталеплавильной печи / Г.А.Лопухов // Электрометаллургия. - 2000. - №2. - С.43-44.

7. Рябов А.В. Современные способы выплавки стали в дуговых печах / А.В.Рябов, И.В.Чуманов, М.В.Шишимиров // Учебное пособие. - М.: Теплотехник, 2007. - 192 с.

8. Модульная технология «Динарк» Danieli //Электрометаллургия. - 2007. – №8.-С.44-45.

9. Лапшин И.В. Автоматизация технологических процессов дуговой сталеплавильной печи / И.В.Лапшин // М.: ООО «Квадратум», 2002. - 157 с.

10. Лопухов Г.А. Плавка стали в дуговой печи Соnstее1 с использованием жидкого чугуна в шихте / Г.А.Лопухов // Электрометаллургия. - 2006. -№1.-С.40-42.

11. Глинков Г.М. АСУ технологическими процессами в агломерационных и сталеплавильных цехах / Г.М. Глинков, В.А. Маковский // Учебник для вузов. - М.: Металлургия. - 1999. - 360 с.

12. Парсункин Б.Н. Непрерывное измерение температуры жидкого металла / Б.Н. Парсункин, С.М. Андреев, У.Б. Ахметов // Труды IV всероссийской научно-практической конференции А8'2003. Новокузнецк: СибГНУ. — 2003.-С. 385-388.

13. Спирин Н.А. Метод диагностики состояния футеровки шихты доменной печи / Н.А. Спирин, В.В. Павлов, Ю.В. Федунов, В.С. Швыдкий // Автоматизация управления металлургическими процессами. - Магнитогорск. -МГМА.- 1996. -СП-26.

14. Тулуевский Ю.Н. // Информационные проблемы интенсификации сталеплавильных процессов // Ю.Н. Тулуевский, Е.А. Нечаев // Металлургия, 1978. –С. 102-114.