Автор: Гречко А.В.


Доктор технических наук А. В. ГРЕЧКО, ведущий научный сотрудник Института "Гинцветмет"

Теплообмен относится к наиболее сложным физическим явлениям. Он трудно поддается формализации, и специалисты изучают его, в основном, на экспериментальном материале. Сначала идет накопление опытных данных для различных случаев теплообмена, затем их обобщают с помощью теории подобия и выводят критериальные зависимости в виде функций и математических уравнений. Большую роль в развитии этой области науки сыграли академики М. А. Михеев и С. С. Кутателадзе.

Одним из самых сложных случаев в пирометаллургии следует считать контактный теплообмен или, как еще его называют, контактная теплопередача. Под этими словосочетаниями подразумеваются тепловые процессы, происходящие между соприкасающимися поверхностями двух деталей. Такие конструктивные узлы широко распространены в энергетике (энергоустановки, двигатели), машиностроении (разъемные и неразъемные соединения, биметаллы и др.), транспорте (скользящие поверхности, слои топлива и масел на поверхности и пр.) и т.д. Ныне разработана соответствующая теория, позволяющая получить вполне надежные критерии при принятии тех или иных технических решений для различных производств.

Теория контактного теплообмена основана на изучении термопроводимости (термосопротивлении) мест соединения двух поверхностей с определенной шероховатостью. Эта величина складывается из проводимости точек фактического контакта соприкасающихся деталей (выступающих микронеровностей) и того же показателя для среды (жидкости или газа), заполняющей межконтактную область. Методический подход при их расчете и соотношение этих двух характеристик являются предметом рассмотрения теории теплообмена контактирующих поверхностей. Здесь учитывается чистота их обработки (особо интересны случаи, когда она колеблется при высоте микронеровностей от 1 до 10 мкм), сила сжатия (рассматриваются величины на уровне тысяч и десятков тысяч килопаскалей), теплофизические и механические свойства соприкасающихся материалов, ряд других факторов.

В последние годы специалисты пытаются использовать теорию контактного теплообмена при создании пирометаллургических кессонированных агрегатов барботажного типа* (фьюминг-печи, плавильные печи Ванюкова**). Это очень важно, так как нормальная работа отдельных конструктивных узлов, включающих детали без прямого специального охлаждения, может быть обеспечена за счет контактной теплопередачи от интенсивно охлаждаемых основных элементов печи (кессонов, отопительно-дутьевых устройств - фурм). Технические решения, принимаемые на основе новой теории, привлекают своей простотой. Они позволяют избежать принудительного охлаждения элементов печи, непосредственно соприкасающихся с расплавом, что гарантирует безопасность при выходе таких деталей из строя, так как при попадании в расплав охлаждающей воды может произойти сильный взрыв.

С позиции теории контактного теплообмена применительно к пирометаллургии можно выделить два крайних случая - практически полный контакт, скажем, в биметаллических плитах (медь - сталь), изготовленных сваркой, методом взрыва, и весьма несовершенные соединения, когда между поверхностями есть большие зазоры. В первом варианте расчеты максимально упрощаются (можно использовать уже известные материалы), а вот второй требует специального анализа.

В чем суть рассматриваемой проблемы? Прежде всего речь идет о крупногабаритных контактирующих деталях. Поэтому их поверхности обычно подвергают только грубой механической (станочной) обработке (прокат, точение, фрезерование, строгание), оставляющей видимые неровности (следы резцов, волнистость, деформации и пр.), которые приводят к значительным зазорам (1-2 мм и более) в местах контакта. Нужно непременно учитывать: эти узлы находятся в специфической среде - расплаве, способном затекать в зазоры, что радикально меняет условия теплопереноса между контактирующими деталями. И наконец, большую роль играет повышенная температура (1200 -1400С) окружающей среды, значительно осложняющая анализ и прогнозирование процесса теплопередачи в данных конструкциях.

Вопрос затекания расплава в зазоры пока еще малоизучен. Известно только: чем меньше вязкость расплава, выше его температура и значительнее промежуток между двумя плоскостями, тем больше вероятность заполнения соответствующих "щелей". Японские исследователи провели многочисленные опыты на модельных и реальных металлургических расплавах (для этого они сверлили отверстия разного диаметра в перегородках плавильных печей) и обнаружили: затекание начинается при диаметрах 2,5-3,0 мм.

Условия нахождения узлов в расплаве определяются характером и скоростью его движения (омывания), образованием гарниссажа (слой застывшего расплава на охлаждаемой стенке печи) и его свойствами (стойкостью, возможным растрескиванием и пр. в зависимости от температуры и тепловых потоков), деформацией деталей при длительной эксплуатации и т.д. Особо следует подчеркнуть усложнение тепловых условий работы в барботажных агрегатах. При продувке в них расплава газовыми струями существенно возрастают скорости омывания деталей циркулирующими потоками, что может привести к негативным последствиям, вплоть до выхода агрегата из строя. И только описанные особенности теплообмена, происходящие в пирометаллургии, показали: ранее принятые методики расчетов в этом случае мало пригодны, требуется дополнительный анализ вышеназванных процессов.

Задача тепловых расчетов - определение температуры контактирующих

--------------------------------------------------------------------------------
*См.: А. В. Гречко. Барботажная пирометаллургия: прорыв в будущее. - Наука в России, 1999, N 5 (прим. ред.).

**См.: А. В. Гречко. Медеплавильный завод будущего. - Наука в России, 1998, N 3 (прим. ред.).

--------------------------------------------------------------------------------
деталей для обеспечения надежной их работы. Прежде всего, нужно знать толщину и теплопроводность соприкасающихся объектов, а также аналогичные характеристики заполняющей зазор между ними среды (это может быть газ или жидкость, в том числе расплав). Термосопротивление последней, как уже отмечалось, - малоизучено, весьма неопределенно и теоретически непрогнозируемо, своего рода "тэрра инкогнита".

Дело в том, что решающую роль в нормальной работе того или иного узла играет среда, находящаяся между контактирующими деталями. Но значения ее теплопроводности могут отличаться на четыре порядка. Так, для воздуха она равна 0,04 Вт/м-рад, а для шлакового и штейнового расплавов - 1,3 и 15 соответственно. Кроме названного фактора, нельзя сбрасывать со счетов и другие, характеризующие работу рассматриваемого узла. Причем чем выше температура расплава, больше его циркуляция и мощнее тепловые потоки, направляющиеся к ограждаемой стенке, а также шире зазор и меньше теплопроводность, тем значительнее перепад температур между соприкасающимися деталями и, соответственно, тяжелее условия работы такого соединения, вплоть до выхода его из строя.

Изучение подобных узлов, поиск закономерностей их состояния и лучших вариантов конструкций для различных внешних условий работы - одно из основных направлений деятельности коллектива исследователей нашего института во главе с автором данной статьи. Нами установлено: для пирометаллургических процессов большое значение имеют геометрические параметры соединяемых деталей и их соотношение. Очень важными оказались два эмпирически выведенных коэффициента - К 1 и К 2 . Первый характеризует соотношение толщин деталей - воспринимающей тепло (т.е. "горячей", находящейся со стороны расплава) и охлаждаемой ("холодной", расположенной с внешней стороны). Второй показывает соотношение тепловоспринимающей (омываемой расплавом) и отдающей тепло (соприкасаемой с охлаждаемой деталью) поверхностей. Здесь требуется пояснение.

Дело в том, что в некоторых пирометаллургических агрегатах предусмотрены внутренние перегородки, изготовленные из двух соприкасающихся пластин, причем с одной стороны расплав доходит почти до их верха, а с другой - его уровень значительно ниже. В этом случае площади воспринимающей и отводящей тепло поверхностей всегда будут равны и К 2 =1. Если же рассматривать ограждающие конструкции печей (внешние стенки), то здесь иногда с внутренней стороны (где находится расплав) по всему периметру внизу прокладывают один или несколько укрепляющих брусков. В таком варианте последние омываются расплавом не только сбоку, но и сверху; тогда К всегда больше 1, т.е. воспринимающая тепло поверхность превосходит отдающую. Опыты показали: чем больше значения К 1 и К 2 , тем существеннее перепад температур между соприкасающимися поверхностями с соответствующими негативными последствиями.

Расчеты термосопротивления многослойной стенки типа "деталь - зазор - деталь" с учетом сказанного позволили сделать некоторые выводы. В узлах, где соприкасаются медные пластины с зазорами, превышающими 0,5 мм, и заполненными газовой (воздушной) смесью при теплопотоке 70 кВт/м 2 и больше (именно так и происходит на практике), неохлаждаемая деталь всегда будет оплавляться. Значительно повысить ее стойкость можно, либо резко сокращая зазор (он должен быть значительно меньше 0,5 мм), либо создавая условия для его заполнения расплавом шлака или штейна. Кроме того, оказалось, что медные узлы гораздо более стойкие, чем стальные.

Эти и многие другие результаты расчетов были подтверждены многочисленными опытами на печи Ванюкова при реальных расплавах и самых различных режимах.

По теоретическим выкладкам и множеству экспериментов нам удалось создать новую конструкцию отопительно-дутьевого устройства (фурмы) для печи Ванюкова. Оно представляет собой медный наконечник (головку) со стальным бандажом, значительно увеличивающим его стойкость и срок службы. Новшество защищено патентом Российской Федерации.

Впрочем, это только первый маленький шаг на пути создания теории контактного теплообмена в пирометаллургии. Повторюсь: задача архисложная, требующая накопления большого количества экспериментальных данных по работе конструктивно различных узлов во множестве расплавов. Сбор опытного материала можно проводить либо при обычной эксплуатационной работе агрегатов с текущими конструктивными изменениями (усовершенствование между плановыми ремонтами), либо активно и целенаправленно вмешиваясь в текущий процесс (остановка агрегата для демонтажа-монтажа изучаемых конструктивных узлов). К сожалению, второй путь, хотя наиболее радикален и эффективен, на практике почти не реализовывается.

Сейчас ученым приходится довольствоваться небольшими расчетно- экспериментальными "шагами". Вначале обрабатывают данные, полученные опытным путем с помощью ранее созданного математического аппарата. Затем на основе полученного разрабатывают новые конструктивные узлы для металлургических печей. После этого их проверяют на действующем агрегате и в зависимости от результатов испытаний либо принимают, либо отвергают, попутно корректируя расчетную методику. Доказательством последнего можно считать введение геометрических коэффициентов К 1 и К 2 .

Хочется надеяться, что в XXI в. удастся разработать стройную теорию теплопередачи применительно к пирометаллургии.