ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
На правах рукопису
Томаш Олександр Анатолійович
УДК 669.162
СТРУКТУРА ЗЕРНИСТОГО ШАРУ І РУХ ГАЗІВ У ДОМЕННИХ ПЕЧАХ
05.16.02 – “Металургія чорних металів”
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Донецьк
2004
Дисертацією є рукопис
Робота виконана на кафедрі металургії чавуну Приазовського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України, м. Маріуполь.
Науковий консультант
Доктор технічних наук, професор
Тарасов Володимир Петрович,
Приазовський державний технічний університет
(м. Маріуполь), професор кафедри металургії чавуну.
Офіційні опоненти:
Доктор технічних наук, професор Ярошевський Станіслав Львович,
Донецький національний технічний університет (м. Донецьк),
професор кафедри руднотермічних процесів і маловідходних технологій;
Доктор технічних наук, професор Ковшов Володимир Миколайович,
Національна металургійна академія України (м. Дніпропетровськ),
професор кафедри металургії чавуну;
Доктор технічних наук, професор Донсков Євген Гаврилович,
Державний гірничо-металургійний комбінат “Криворіжсталь”
(м. Кривий Ріг), головний технолог аглодоменного і коксового виробництв.
Провідна установа:
Дніпродзержинський державний технічний університет,
кафедра руднотермічних процесів Міністерства освіти і
науки України (м. Дніпродзержинськ).
Захист відбудеться “22” квітня 2004 р. о 12 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д11.052.01 Донецького національного технічного університету (83000, м. Донецьк, вул. Артема 58, I навчальний корпус, ВАЗ).
З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донецького національного технічного університету (83000, м. Донецьк, вул. Артема 58, II навчальний корпус).
Автореферат розісланий “17” березня 2004 р.
Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д11.052.01
доктор технічних наук, професор В.І. Алімов
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Чорна металургія – одна з ведучих галузей промисловості України, яка багато в чому визначає економічний потенціал країни. Основною стадією виробництва чорних металів є доменне виробництво. Рівень енергетичних витрат при виплавці чавуну визначає його вартість і собівартість кінцевої металопродукції. Зниження витрати палива в доменних печах поряд з підвищенням якості сталі і прокату є головним завданням, яке стоїть перед металургійною галуззю. За рівнем техніко-економічних показників доменної плавки українські підприємства чорної металургії дуже значно відстали від сталеливарних компаній Європи й інших промислово розвинених країн. Питома витрата коксу на металургійних комбінатах України на 150 – 200 кг/т чавуну перевищує його витрати на європейських заводах. Продуктивність українських доменних печей на 30 % і більше уступає їхній продуктивності в Західній Європі. Наслідком підвищених енергетичних витрат при виплавці чорних металів є низька рентабельність і конкурентоспроможність вітчизняної металопродукції на світовому ринку, велика залежність підприємств від періодичних коливань цін на товарний чавун, сталь і прокат, понижений рівень доходів металургів у порівнянні із зарубіжними підприємствами й обмежені відрахування в державний бюджет. Підвищена витрата коксу при виплавці чавуну є одним з факторів, які побічно сприяють посиленню негативного впливу на навколишнє середовище шкідливих викидів коксохімічних і металургійних заводів.
Необхідні енергійні заходи зі зменшення енергетичних витрат у доменному виробництві і скорочення відставання від передових металургійних підприємств, які дозволять одержати результати у відносно короткий термін. Перспективні технології доменної плавки з вдуванням у горн пиловугільного палива (ПВП) або продуктів газифікації вугілля дозволять істотно зменшити витрати коксу при виплавці чавуну. Але їхнє поширення вимагає великих капітальних вкладень і тривалого періоду часу. Відсутність достатніх матеріальних засобів і державної підтримки металургійних підприємств ускладнює впровадження у доменному виробництві капіталомістких науково-технічних заходів. У таких умовах особливої актуальності набувають заходи для підвищення ефективності застосування природного газу, оптимізації його витрати й удосконалювання традиційної технології доменної плавки. Завдяки відносно невеликим капітальним вкладенням, такі заходи характеризуються короткими термінами окупності витрат і доступні будь-якому металургійному підприємству. Кошти, зекономлені при їхній реалізації, можуть бути потім вкладені у більш дорогі проекти, в першу чергу з вдування ПВП. Ефективність будь-яких заходів, спрямованих на підвищення техніко-економічних показників доменної плавки, може бути значно підвищена за умови раціональної організації протитечії шихти і газів у робочому просторі печі. Крім того, раціональний режим руху газового потоку і шихтових матеріалів у доменній печі сам по собі забезпечує зниження питомої витрати коксу на 20 – 30 кг/т чавуну й істотне збільшення виплавки металу при помірних капітальних витратах або практично без витрат. Таким чином, у сучасних умовах зберігається актуальність робіт, спрямованих на удосконалювання газодинамічного режиму доменної плавки.
Організація раціонального режиму протитоку шихтових матеріалів і газів у доменній печі припускає управління їхнім розподілом, підготовку шихти за фракційним складом, механічними і фізико-хімічними властивостями, регулюванням витрати дуття з метою максимального збільшення ступеня використання відновлювальної здатності і теплової енергії доменного газу при рівному сході шихти і раціональному розподілі статичного тиску газу по висоті. Спроби вирішення цих завдань на основі обробки емпіричних даних, обмежуючись тільки урахуванням особливостей доменного процесу, безумовно, дають позитивні результати. Однак їхнє застосування може бути обмеженим. При зміні умов доменної плавки вимагаються нові дані і додаткові дослідження. Більш перспективним представляється аналіз загальних закономірностей будови зернистого шару і фільтрації газів через зернистий шар з наступним уточненням для доменної печі. Розроблені в такий спосіб математичні моделі, теоретичні положення і висновки можуть бути успішно застосовані не тільки для різних умов доменної плавки, але й для інших реакторів, робота яких заснована на фільтрації газів і рідин через зернистий шар. Такі реактори одержали широке поширення в хімії і металургії. Також можливий попередній аналіз показників нових перспективних протитокових процесів, що ще не застосовувалися в промислових умовах, але таких, які знаходяться на стадії розробки проекту або принципової схеми.
Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Проблеми, розглянуті в дисертаційній роботі, відповідають Державній програмі розвитку гірничо-металургійного комплексу України до 2010 р. і Державній програмі енергозбереження. В основу дисертації покладені результати науково-дослідних робіт, виконаних з 1988 по 2002 р., у яких автор брав безпосередню участь як відповідальний виконавець: № держ. реєстр. 0195U020638 “Дослідження фізико-хімічних властивостей сирих матеріалів доменного цеху “МК “Азовсталь” і підбір раціонального складу залізорудної шихти”, № держ. реєстр. 0196U013234 “Розробити і впровадити спосіб завантаження доменної печі, що передбачає перерозподіл шихти з різною відновлюваністю на колошнику”, № держ. реєстр. 0197U000992 “Удосконалювання технології доменної плавки на “МК “Азовсталь” на основі нових даних про розподіл і використання газового потоку”, № держ. реєстр. 0197U002540 “Наукові основи оптимізації технології ведення доменної плавки в умовах дефіциту чи повної відсутності природного газу”, № держ. реєстр. 0100U002580 “Моделювання й оптимізація руху зернистих матеріалів і газів у протитокових реакторах, у тому числі в доменних печах” та ін.
Мета і задачі досліджень.
Метою досліджень є розробка ефективних заходів з поліпшення техніко-економічних показників роботи доменних печей у сучасних умовах з коротким терміном окупності, які не потребують великих капітальних вкладень, за рахунок управління розподілом шихтових матеріалів і газів на основі теоретичних положень геометрії зернистого шару і газодинаміки протитокових реакторів.
Завдання, які необхідно вирішити для досягнення поставленої мети:
-
візуальне дослідження структури зернистого шару за допомогою оптичного зонда і методу усунення викривлення отриманого зображення;
-
розробка цілісної теорії порозності зернистих матеріалів різного фракційного складу з різною формою часток;
-
аналіз змін порозності і перепаду тиску газу в шарі зі стікаючим розплавом;
-
розробка і перевірка адекватності математичної моделі розподілу статичного тиску газу по висоті шахтних реакторів і доменних печей з урахуванням нерівномірності укладання матеріалів у горизонтальному і вертикальному перерізах, особливостей фільтрації газів у нижній частині доменної печі й у зоні розм'якшення;
-
підбір раціонального складу багатокомпонентних доменних шихт, що забезпечує зниження опору зони розм'якшення проходу газів;
-
розвиток і удосконалювання конструкції завантажувального пристрою доменної печі з осьовим технологічним отвором у великому конусі;
-
вибір систем завантаження, що забезпечують формування раціональної структури осьового стовпа коксу в доменній печі;
-
розробка систем завантаження доменних печей, що забезпечують збільшення газопроникності рудного гребеня і підведення в цю зону додаткової кількості тепла і газів-відновників;
-
вибір раціональних параметрів доменної плавки, що забезпечують зниження собівартості чавуну в сучасних економічних умовах.
Об'єкт досліджень: нераціональний розподіл швидкостей і тиску газів у шарі доменної шихти.
Предмет досліджень: вплив структури шару і розподілу шихтових матеріалів у різних зонах робочого простору на параметри газового потоку в доменній печі.
Методи досліджень. При виконанні роботи використовувалися методи математичного моделювання з переважною розробкою детермінованих моделей, фізичного моделювання, планування експерименту, математичної статистики, експерименти в лабораторних умовах і на діючих доменних печах і балансові методи аналізу показників доменної плавки.
Наукова новизна отриманих результатів.
1.
Вперше визначені фактичні кути укладання куль одного діаметра всередині шару і показано, що більше половини їхніх значень знаходиться в інтервалі 67,5 - 75 0, що відповідає порозності куль 0,361 – 0,427 м3/м3.
2.
Вперше розроблена цілісна теорія порозності зернистого матеріалу, включаючи шар часток однієї крупності, бінарний, трифракційний і поліфракційний шар. В основу теорії покладені нові положення про ймовірність розміщення дрібних часток у міжкускових пустотах великої фракції, розпушуючий вплив поверхні великих кусків на дрібні частки, можливості представлення поліфракційного шару у вигляді суміші трьох фракцій.
3.
Удосконалені методи оцінки впливу нерівномірності розподілу доменної шихти на її газопроникність. Показано, що газодинамічні властивості стовпа доменної шихти при формуванні радіальної й окружної нерівномірності характеризує середня газопроникність у горизонтальному перерізі доменної печі. Розрахунковим шляхом установлено, що при нерівномірному розподілі дрібної фракції в горизонтальному перерізі робочого простору опір шихтових матеріалів проходу газів зменшується в 1,257 – 1,50 рази.
4.
Вперше розрахунковим шляхом, складанням втрат напору в окремих фракціях, визначений перепад тиску газу в шарі при переході дрібних часток у псевдозріджений стан у пустотах між великими кусками.
5.
Вперше розрахунковим шляхом, на основі детермінованої тризонної математичної моделі розподілу статичного тиску газу по висоті доменної печі, доведено, що при формуванні розвиненого осьового потоку газу гідродинамічний опір у зоні розм'якшення скорочується на 30 %.
Практичне значення отриманих результатів.
1.
Розроблено способи підбору складу багатокомпонентної доменної шихти, що забезпечують зниження опору проходу газів у зоні розм'якшення. Способи випробувані в доменному цеху МК “Азовсталь”.
2.
Визначено умови формування безперервного осьового стовпа коксу в доменній печі при завантаженні частини коксу в центр колошника завантажувальним пристроєм з осьовим технологічним отвором у великому конусі. На доменних печах № 3 і 4 металургійного комбінату “Запоріжсталь” впроваджені способи завантаження, що забезпечують формування безперервного осьового стовпа коксу при завантаженні частини коксу безпосередньо в центр колошника.
3.
Розроблено нову модифікацію завантажувального пристрою з осьовим технологічним отвором у великому конусі і рухомими плитами в міжконусному просторі, що розширює його технологічні можливості в регулюванні окружного розподілу шихти, газів і маси коксу, який зсипається в осьовий технологічний отвір. Установка завантажувального пристрою рекомендується на доменних печах, обладнаних триконусними завантажувальними пристроями і пристроями з клапанами прийомної лійки.
4.
Розроблено новий спосіб завантаження доменної печі, що збільшує газопроникність шихти в районі рудного гребеня і забезпечує більшу відповідність розподілу по радіусу робочого простору маси залізорудних матеріалів і потоку газу-відновника. Спосіб завантаження застосований на доменних печах № 3 і 4 металургійного комбінату “Азовсталь”.
5.
Визначено оптимальні умови застосування природного газу в доменній плавці в сучасних економічних умовах, що забезпечують мінімальну собівартість чавуну.
6.
Розроблено систему подачі азоту низького тиску від скруберів кисневого цеху до повітродувних машин доменних печей, що забезпечує мінімальну вартість технічного азоту, який додається в доменне дуття для зниження в ньому вмісту кисню і збереження його високої температури в умовах відсутності природного газу. Розроблено технологічні завдання для МК ім. Ілліча і “Азовсталь”.
Фактичний економічний ефект від використання результатів дисертації на МК “Азовсталь” і “Запоріжсталь” склав 1831 тис. грн.
Матеріали дисертації послужили основою для двох розділів нової навчальної дисципліни “Гідродинаміка, тепло- і масообмін у протитокових реакторах”, що читається у Приазовському державному технічному університеті студентам спеціальності 7.090401 “Металургія чорних металів”, спеціалізації “Металургія чавуну”.
Особистий внесок здобувача. У дисертації узагальнені результати науково-дослідних робіт, виконаних автором у Приазовському державному технічному університеті (ПДТУ) під керівництвом д.т.н., проф. В.П. Тарасова. Основні ідеї і положення дисертації розроблені автором. В експериментальних дослідженнях в лабораторних умовах спільно з автором брали участь співробітники кафедри металургії чавуну ПДТУ. Промислові випробування проходили за участю фахівців ПДТУ, ДОННДІЧОРМЕТ, металургійних комбінатів “Азовсталь” і “Запоріжсталь”. Розробка методів досліджень, математичних моделей, планування експериментів, обробка й узагальнення отриманих результатів виконані автором самостійно.
Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, включені в дисертацію, були представлені на всесоюзних і міжнародних науково-технічних конференціях і конгресах: “Теплотехнічне забезпечення технологічних процесів металургії” (Свердловськ, 1990), “Моделювання відновлювальних процесів і їхнє застосування в металургії” (Катовіце, 1991), “Теорія і технологія аглодоменного виробництва” (Дніпропетровськ, 1995), “Стан і перспективи розвитку аглодоменного виробництва України” (Маріуполь, 1997), V міжнародному конгресі доменників “Виробництво чавуну на рубежі століть” (Дніпропетровськ – Кривий Ріг, 1999), VI міжнародній технічній конференції “Тепло- і масообмінні процеси в металургійних системах” (Маріуполь, 2000), а також доповідалися на декількох регіональних науково-технічних конференціях (Маріуполь, 1995 – 2002), на розширених наукових семінарах кафедр металургії чавуну Національної металургійної академії України і рудо-термічних процесів і маловідходних технологій Донецького національного технічного університету.
Публікації. Результати дисертації опубліковані в 28 наукових працях, у тому числі: 19 статей у наукових журналах і збірниках, 1 авторське свідоцтво і 3 патенти, 5 доповідей науково-технічних конференцій і конгресів.
Обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, 6 розділів, висновків і 7 додатків, викладена на 406 сторінках, включаючи 72 рисунка, 19 таблиць, 25 сторінок додатків і список використаних джерел з 263 найменувань.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтована актуальність теми, викладені мета роботи, задачі і методи дослідження, сформульовані наукова новизна і практичне значення отриманих результатів, особистий внесок здобувача, наведені відомості про апробацію і публікацію основних результатів дисертації.
У розділі 1 “СУЧАСНІ УЯВЛЕННЯ ПРО РУХ ГАЗІВ У РЕАКТОРАХ ІЗ ЗЕРНИСТИМ ШАРОМ І В ДОМЕННИХ ПЕЧАХ. МЕТОДИ ПІДВИЩЕННЯ ТЕХНІКО-ЕКОНОМІЧНИХ ПОКАЗНИКІВ ЇХНЬОЇ РОБОТИ” виконано аналіз відомих результатів досліджень структури шару доменної шихти, газодинаміки доменної плавки, сучасних завантажувальних пристроїв і способів завантаження доменних печей, методів зниження енергетичних витрат на виплавку чавуну.
Доменні печі – найбільш розповсюджені протитечійні шахтні реактори. Одним з основних процесів доменної плавки є фільтрація газів через шар кускової шихти. Поряд з доменними печами до цієї групи технологічних пристроїв відносяться шахтні відновлювальні печі, печі випалювання вапняку, башти сухого гасіння коксу, скрубери, хімічні реактори з каталітичною насадкою та ін. агрегати. Проектування протитокових реакторів, управління доменними печами, підвищення ефективності їхньої роботи вимагають урахування загальних закономірностей будови зернистого шару і руху газів у міжкускових пустотах. Актуальністю і важливістю проблеми обумовлена пильна увага дослідників до вивчення будови зернистого шару, фільтрації газів у сипучих середовищах, гідродинаміки протитечійних реакторів, у тому числі доменних печей. У своїй роботі автор спирався на класичні теоретичні положення, сформульовані Л.К. Рамзиним, С.С. Фурнасом, Н.М. Жаворонковим, М.А. Стефановичем, Т.Л. Джозефом, C. Ерганом, Р. Ешаром, А.Н. Раммом, Б.І. Китаєвим, А.Н. Похвисневим, В.І. Логіновим, Є.Ф. Вегманом та ін. ученими. Подальший розвиток і систематизацію теорії доменного процесу, будови зернистого шару і фільтрації газів у сипучих середовищах одержали в працях Г.Г. Єфименка, В.П. Тарасова, В.М. Ковшова, І.Г. Товаровського, В.І. Большакова, А.К. Тараканова, С.Л. Ярошевського, К.М. Бугаєва, В.В. Бочки, В.Н. Андронова, В.С. Швидкого, Є.Г. Донскова, М.М. Чернова, Б.П. Довгалюка, С.Т. Плискановського, В.І. Шатохи, В.І. Коротича, П.Г. Русакова, С.Г. Братчикова, Ю.А. Бермана, В.П. Лялюка, В.М. Щедріна, В.М. Клемперта, В.А. Петренка та ін. авторів. Роботи різних наукових колективів лягли в основу сучасних уявлень про газодинаміку доменної плавки і протитечійних реакторів.
Рух газового потоку в зернистому шарі, у тому числі в шарі доменної шихти, у сучасних дослідженнях звичайно описують рівняннями Нав’є – Стокса, Бернуллі, Дарсі – Вейсбаха (Ергана) для зернистого шару
, (1)
де Р – перепад тиску газу в шарі висотою Н, Па;
- коефіцієнт опору;
d – еквівалентний діаметр часток, м;
- порозність, відношення об’єму пустот до загального об’єму шару, м3/м3;
Ф – фактор форми часток;
- щільність газу, кг/м3;
U0 – швидкість газу, приведена до порожнього перерізу, м/с.
В аналітичному огляді літератури наведені різні методи опису зміни статичного тиску газу р у шахті доменної печі, у тому числі рівняння, раніше отримане автором,
(2)
де рК – тиск над поверхнею стовпа матеріалів (тиск на колошнику), Па;
Q0 – витрата газу в нормальних умовах, м3/с;
р0 і Т0 – нормальні тиск і температура, р0 105 Па, Т0 = 273 К;
- кут нахилу стін шахти, град;
аТ і а - градієнт температури і щільності газу, К/м і кг/м4;
RК – радіус колошника, верхньої частини реактора, м;
ТК і К – температура і щільність колошникового газу, К и кг/м3.
Результати розрахунків за відомими рівняннями задовільно узгоджуються з даними лабораторних досліджень. Рівняння (2) адекватно описує зміну статичного тиску газу в шахті доменних печей.
У той же час завдання розробки адекватної математичної моделі розподілу статичного тиску газу по всій висоті доменної печі не вирішене повністю. Розрахункові значення перепадів тиску газу на окремих ділянках робочого простору і в усій доменній печі не збігаються з фактичними, розрізняється характер зміни градієнта тиску газу за результатами розрахунків і в реальних умовах. Вимагають урахування особливості будови зони розм'якшення, нижньої частини доменної печі, заповненої коксом зі стікаючим розплавом, вплив нерівномірності розподілу шихти в горизонтальному перерізі робочого простору і по вертикалі. Результатом численних досліджень структури зернистого шару звично є емпіричні рівняння для розрахунку порозності доменної шихти, які застосовуються лише при дотриманні певних умов. Узагальнений, теоретично обґрунтований підхід при описі структури сипучих середовищ відсутній або має обмежене застосування.
Значне відставання показників роботи вітчизняних доменних печей від європейського рівня вимагає негайних заходів з удосконалювання процесу виплавки чавуну. Сучасні методи інтенсифікації доменної плавки відомі, теоретично і технологічно розроблені. Особливістю вибору параметрів доменного процесу в сучасних умовах є необхідність обов'язкового урахування економічних показників, нестабільного співвідношення цін на сировину й енергоносії. Основним критерієм для вибору технології може служити собівартість чавуну.
Одним з найбільш доступних і ефективних засобів поліпшення техніко-економічних показників доменної плавки є підбір раціональних режимів завантаження доменних печей, підвищення ступеня використання відновлювальної і теплової енергії доменних газів. Розходження під час процесів відновлення в різних кільцевих зонах доменної печі є результатом не тільки нерівномірного розподілу шихти, але й співвідношення газопроникності її компонентів: коксу й агломерату. Одним з основних для сучасного доменного процесу є протиріччя між необхідним розподілом газів і співвідношенням газопроникності коксу і рудних матеріалів. Більш розвинутий потік газів формується в зонах зосередження газопроникного коксу, де потреба у газі-відновнику невелика. У зонах концентрації залізорудних матеріалів з низькою газопроникністю газовий потік менш розвинутий і має місце нестача газу-відновника. За умовами зони непрямого відновлення в шахті доменної печі газопроникність рудної шихти повинна бути вищою, ніж у коксу. У реальних умовах має місце зворотне співвідношення їхньої газопроникності. Зниження газопроникності коксу неприпустимо, тому що умовою нормальної роботи нижньої частини доменної печі є висока дренажна здатність і газопроникність коксової насадки. Підвищення газопроникності рудних матеріалів за рахунок збільшення їхньої механічної міцності і попереднього відсівання дрібняку дозволяє лише трохи наблизити їхню газопроникність до газопроникності коксу, але далеко не досягти і тим більше не перевершити її. Єдиним методом вирішення відзначеного протиріччя залишається підбір раціональних способів завантаження шихти. Дослідження українських учених дозволили розробити теорію завантаження доменних печей конусними і безконусними завантажувальними пристроями, сформулювати низку принципів раціонального газо- і шихторозподілу на колошнику доменної печі: формування розвинутого осьового газового потоку, мінімальна дисперсія газових навантажень по радіусу, необхідність підведення додаткової кількості тепла і газів-відновників у зону гребеня, де їхній дефіцит відчувається найбільше.
Тим часом, відсутні чіткі, теоретично обґрунтовані уявлення про оптимальний радіальний розподіл шихти, до якого необхідно прагнути при завантаженні. Традиційний підхід в управлінні розподілом шихти на колошнику доменної печі, заснований на тривалому підборі дослідним шляхом раціональних систем завантаження, неефективний через велику кількість можливих варіантів, при послідовному переборі яких оптимальні режими можуть взагалі не потрапити в поле зору дослідників.
Істотно розширити можливості управління газовим потоком у доменній печі дозволяють сучасні завантажувальні пристрої: лоткові, роторні, типу “лійка – сковзало”, конусні з осьовим технологічним отвором у великому конусі. Різноманітність засипних апаратів, які розрізняються технологічними можливостями, вартістю і необхідними експлуатаційними витратами, ставить перед необхідністю їхнього вибору при реконструкціях доменних печей різного об’єму. Одним з важливих критеріїв при виборі завантажувальних пристроїв може стати термін окупності витрат.
З урахуванням відзначених проблем у роботі вирішуються такі завдання:
-
візуальне визначення кутів укладання куль у шарі за допомогою оптичного зонда з розробкою методу усунення викривлень отриманого зображення;
-
розробка цілісної теорії розрахунку порозності зернистих матеріалів різного фракційного складу, з різною формою часток;
-
визначення максимальної крупності часток агломерату різного фракційного складу, що підлягають відсіванню перед завантаженням у доменні печі;
-
розробка методу розрахунку перепаду тиску газу в зернистому шарі, який застосовується при переході дрібних часток у псевдозріджений стан у пустотах між великими кусками щільного шару;
-
уточнення методів розрахунку порозності і перепаду тиску газу в шарі зі стікаючим розплавом;
-
розробка і перевірка адекватності математичної моделі розподілу статичного тиску газу по висоті доменних печей з урахуванням міжшарової нерівномірності розподілу матеріалів і нерівномірності їхнього розподілу в горизонтальному перерізі, особливостей фільтрації газів у нижній частині доменної печі й у зоні розм'якшення;
-
розробка об'єктивного методу оцінки газопроникності доменної шихти при розм'якшенні;
-
підбір раціонального складу багатокомпонентних доменних шихт, що забезпечує зниження опору зони розм'якшення проходу газів;
-
розвиток і удосконалювання конструкції завантажувального пристрою доменної печі з осьовим технологічним отвором у великому конусі;
-
вибір систем завантаження, що забезпечують формування раціональної структури осьового стовпа коксу в доменній печі;
-
розробка систем завантаження доменних печей, що забезпечують збільшення газопроникності рудного гребеня і підведення в цю зону додаткової кількості тепла і газів-відновників;
-
вибір раціональних параметрів доменної плавки, що забезпечують зниження собівартості чавуну в сучасних технічних, сировинних і економічних умовах.
У розділі 2 “БУДОВА ШАРУ І ПОРОЗНІСТЬ ЗЕРНИСТИХ МАТЕРІАЛІВ” виконано дослідження й аналіз будови зернистого матеріалу, у тому числі доменної шихти, і розроблена цілісна теорія порозності зернистого шару.
Завдання аналізу будови зернистого шару з метою визначення його порозності представляється дуже складним і вимагає поетапного вирішення з поступовим ускладненням форми і фракційного складу часток. Порозність найпростішого шару з куль одного діаметра описує відома формула Сліхтера в залежності від кута їхнього укладання . Для її практичного застосування необхідно попереднє визначення значення , що змінюється в широких межах від 60 до 90 0. Кут укладання куль визначали за допомогою оптичного зонда, який вводиться в шар. Зображення куль усередині шару фотографували. Тому що кулі знаходяться на різній відстані від площини спостереження, на знімки потрапляли лише викривлені проекції кутів. Для усунення викривлень була розроблена методика, що включає нанесення осей координат на поле фотознімка з кулями, визначення координат центрів куль з урахуванням масштабу зображення на площині й у просторі і розрахунок кута укладання за теоремою косинусів. Були розраховані значення 18 кутів укладання. Кут з визначеною ймовірністю може приймати будь-які значення з інтервалу 60 – 90 0. Але більше половини кутів попадають в інтервал 67,5 – 75 0, якому відповідає порозність куль 0,361 - 0,427 м3/м3. Аналіз співвідношення сил ваги і бічного тиску в шарі приводить до рівняння, яке пов'язує кут укладання з коефіцієнтом внутрішнього тертя f tg отк, де отк – кут природного укосу, під час відсутності впливу стінок посудини,
cos =2f2/(3+2f2). (3)
Для скляних куль діаметром 20 мм f = 0,675, = 76,5 0, = 0,436 м3/м3; діаметром 1 мм f = 0,754, = 74 0, = 0,420 м3/м3. Форму довільних часток характеризує фактор форми Ф. Пустоти в ідеальному шарі можуть бути представлені у вигляді вертикальних циліндричних каналів, або у вигляді кулястих дотичних пустот. У першому випадку Ф2/3 = 4Vч / (Sч dч) і для куль дорівнює 2/3, у другому - Ф1 = 6Vч / (Sч dч), де Vч, Sч, dч – об’єм, площа поверхні і діаметр часток, для куль Ф1 = 1. Для часток правильної форми зручно користуватися співвідношенням Ф = k Vч / Sч1,5, кусків неправильної форми Ф = kVч / (dч3), де k дорівнює 4 чи 6. Рівняння Сліхтера для часток однієї крупності довільної форми набирає вигляду
. (4)
Значення Ф1 для агломерату крупністю 2 – 3 мм, 5 – 7 мм і 10 – 25 мм склало 0,84, 0,79 і 0,74 відповідно. Розрахункова порозність цих фракцій 0,52, 0,54 і 0,55 м3/м3. У циліндричній посудині діаметром D порозність шару часток однієї крупності збільшується в міру зближення значень dч і D. Збільшення порозності обумовлене збільшенням об’єму пустот біля стінок і в центрі посудини, дефектами будови шару через обмеженість простору, збільшенням під впливом тертя об стінки посудини. Значення може бути визначене за формулою
, (5)
де 0 – порозність шару без впливу стінок посудини, м3/м3.
Порозність доменної шихти часто визначають у залежності від вмісту дрібної фракції, спрощено представляючи шар шихтових матеріалів бінарним. Об'ємна частка дрібняку m являє собою відношення об’єму дрібної фракції, включаючи пустоти між дрібними частками, до загального об’єму шару. Частка дрібняку g є відношенням об’єму дрібних часток до об’єму всіх часток у шарі. m і g пов'язані співвідношенням g = m(1-М)/(1-), де М і - порозність дрібної фракції і всього шару. Мінімальна порозність бінарного шару досягається при такому вмісті дрібняку m0 чи g0, коли дрібні частки заповнюють весь об’єм пустот між великими кусками, не розсовуючи їх. При m < m0 і g < g0 дрібні частки розташовуються в пустотах між великими, знижуючи порозність. У пустоти між великими кусками потрапляє тільки частина дрібних часток. Імовірність розміщення дрібних часток діаметром dМ у міжкускових пустотах діаметром dП: p = 1 – dМ /dП. Дрібняк, що не проникнув у міжкускові пустоти, розміщується серед великих часток, практично не знижуючи порозність шару. З урахуванням цих положень порозність бінарного шару при m < m0 і g < g0 дорівнює
, (6)
, (7)
де d / d – відношення діаметрів дрібної і великої фракції;
К і М – порозність великої і дрібної фракцій, м3/м3;
ФК2/3 – фактор форми великих часток.
При вмісті дрібняку більше m0 і g0 шар формується дрібною фракцією з украпленнями великих часток. Порозність дрібної фракції в міжкускових пустотах збільшується під впливом поверхні великих кусків, аналогічним впливу стінок посудини. Зі збільшенням m і g збільшуються розміри
Рис. 1. Залежність порозності бінарного шару куль (1) і доменної шихти (2) від вмісту дрібної фракції m (а) і g (б). Суцільні лінії – експериментальні дані, пунктирні – результати розрахунків.
пустот між великими частками, і послабляється їхній вплив на порозність дрібняку. При m > m0 і g > g0 порозність бінарного шару дорівнює
, (8)
, (9)
де С – коефіцієнт, що враховує взаємну орієнтацію дрібних часток у пустотах між великими, С > 2 – . Для скляних куль С = 0,754, для доменної шихти С = 0,626. Рівняння (6 і 8), (7 і 9) досить точно описують відомі експериментальні залежності порозності від частки дрібняку (рис. 1), значення вибіркового кореляційного відношення складає 0,97 0,98.
Трифракційний шар може мати три різні структури при різному співвідношенні вмісту дрібних gм, середніх gс і великих gк часток. Одна з трьох фракцій є домінуючою і формує шар. Порозність трифракційного шару визначається при домінуючій великій, дрібній і середній фракції з порозністю К, М и С відповідно:
= , (10)
, (11)
. (12)
Фракційний склад полідисперсного матеріалу можна описувати таблично, графічно й аналітично, використовуючи рівняння Розина – Раммлера (Вейбула): , де F(d) – сумарний вміст часток дрібніших d; і - емпіричні константи, параметри розподілу. Структура поліфракційного шару формується домінуючою фракцією. Їй відповідає найбільший відносний вміст , де gС – вміст домінуючої фракції, д.од., dМАХ і dmin - максимальна і мінімальна крупність часток фракції, мм. При графічному описі діаметру домінуючої фракції d0 відповідає максимум на кривій щільності розподілу часток за крупністю f(d) і найбільш крутий підйом кумулятивної кривої функції розподілу часток за крупністю F(d). При аналітичному описі
. (13)
Усі крупні частки розташовуються в шарі у вигляді вкраплень у структуру домінуючої фракції й утворюють єдину велику фракцію з загальним вмістом gК. Дрібні частки розташовуються в міжкускових пустотах домінуючої фракції й утворюють єдину дрібну фракцію з загальним вмістом gМ. Виконується умова gМ + gС + gК = 1. Поліфракційний шар представляється у вигляді трифракційного з домінуючою середньою фракцією і його порозність розраховується за формулою, аналогічною (12)
. (14)
Вміст дрібних часток, які можуть розташовуватися в міжкускових пустотах домінуючої фракції з імовірністю р, при табличному описі фракційного складу gМ = gi*pi = gi(1 – di / dП), де gi і di – вміст і середній діаметр i-ої дрібної фракції. При аналітичному описі
, (15)
де dП – діаметр пустот домінуючої фракції, dП = С0ФС2/3d0 / (1 - C0), м;
С0 і ФС2/3 – вихідна порозність і фактор форми часток домінуючої фракції;
(1/+1, dп) – неповна гама-функція, , a = dп.
При графічному описі фракційного складу вмісту дрібних часток відповідає значення F(0,55dП) на кумулятивній кривій. Вміст великої фракції при аналітичному описі фракційного складу
, (16)
де d min – мінімальний діаметр великих кусків, , м;
к і ФК2/3 – порозність і фактор форми великих часток.
При табличному описі фракційного складу g розраховується простим додаванням вмісту усіх фракцій, крупніших d min. При графічному описі фракційного складу вміст великої фракції визначається по кумулятивній кривій g = 1 – F(dк min). Порозність домінуючої фракції збільшується під впливом великих часток
, (17)
де d – середній діаметр великих часток, м, при аналітичному описі фракційного складу
, (18)
де Г(1/+1) – гама-функція, .
Результати розрахунку порозності агломерату різного фракційного складу за формулами (13, 15 – 18 і 14) наведені в табл. 1.
Таблиця 1
Результати розрахунку порозності агломерату різного фракційного складу
Розрахункові параметри | Агломерат А | Агломерат В | Агломерат С
Фракційний склад, %: -5 мм; 5 – 25 мм; + 25 мм
Параметри розподілу Вейбула: ;
Діаметр часток, мм: домінуючої фракції d0
дрібної фракції dМ
великої фракції d К min
середній діаметр великих часток
Вміст фракції, д. од.: дрібної gМ
середньої (домінуючої) gС
великої gК
Порозність, м3/м3: домінуючої фракції С агломерату
(бінарного/поліфракційного шару) | 16; 79; 5
0,0194;1,63
6,3
< 4,0
> 10,4
16,0
0,068
0,518
0,414
0,614
0,431/0,445 | 35; 64; 1
0,0595;1,34
3,0
< 1,8
> 4,9
10,6
0,057
0,337
0,606
0,631
0,342/0,344 | 9; 87; 4
0,007; 1,91
9,1
< 5,8
> 15,1
20,8
0,062
0,652
0,286
0,590
0,467/0,476
Результати визначення порозності агломерату за моделлю поліфракційного і бінарного шару близькі, що підтверджує можливість спрощеного розрахунку об’єму міжкускових пустот доменної шихти по вмісту дрібняку. Розроблений метод аналізу будови поліфракційного зернистого шару дозволяє обґрунтовано визначати розміри дрібних фракцій, що підлягають відсіванню перед завантаженням у доменні печі. Відсіванню підлягають дрібні частки, що проникають у міжкускові пустоти домінуючої фракції, яка формує шар. Розрахунок передбачає визначення діаметра часток домінуючої фракції агломерату d0 і обчислення максимального діаметра часток, що відсіваються, рівного діаметру міжкускових пустот домінуючої фракції dп. З агломератів А, В і С (табл. 1) підлягають відсіванню перед завантаженням у доменні печі частки крупністю менше 4,0; 1,8 і 5,8 ммвідповідно.
У розділі 3 “МЕТОДИ РОЗРАХУНКУ ПЕРЕПАДУ СТАТИЧНОГО ТИСКУ ГАЗУ В ЗЕРНИСТОМУ ШАРІ ПРИ РІЗНИХ УМОВАХ” удосконалено методи розрахунку перепаду тиску газу в шарі на основі рівняння Ергана при різних умовах: при переході дрібних часток у псевдозріджений стан у міжкускових порожнечах великої фракції, при русі газів через шар зі стікаючим розплавом.
Розрахунок перепаду статичного тиску газу в поліфракційному зернистому шарі за формулою Ергана з попереднім визначенням параметрів , d, досить трудомісткий, а допущені неточності ведуть до значних погрішностей. Більш простим представляється розрахунок втрат напору в кожній фракції Рi з наступним підсумовуванням , де n – число фракцій. Для бінарного шару Р = РК + +РМ (індекси “к” і “м” відносяться до великої і дрібної фракції). Наведена швидкість фільтрації газу через дрібні частки U0M одночасно є фактичною швидкістю руху газу в міжкускових каналах великої фракції U0M = U0 /K. При m < m0
. (19)
Коефіцієнт опору визначається в залежності від критерію Рейнольдса Re, = 150 / Re + 1,75, або відповідно до будь-якого іншого відомого рівняння = f(Re). Значення Re для великої і дрібної фракцій
, , (20)
де - кінематична в'язкість газу, м2/с.
При m > m0
. (21)
Критерій Re для великої і дрібної фракцій
, . (22)
Результати розрахунків перепаду тиску повітря в шарі куль діаметром 20 і 1 мм методом додавання втрат напору в кожній фракції краще узгоджуються з експериментальними даними, = 0,917 0,937, ніж результати застосування традиційного методу розрахунку, = 0,663 0,830. Розроблений метод дозволяє розраховувати перепад тиску газу в шарі при переході дрібної фракції в пустотах між великими кусками в псевдозріджений стан. Це явище спостерігається, коли приведена до порожньої посудини швидкість газового потоку U0 перевищує критичне значення фактичної швидкості газу в пустотах великої фракції: U0 > UКР К. Рівняння для розрахунку UKP при ламінарному і турбулентному режимах руху газу відомі. Для перехідного режиму отримане рівняння
, (23)
де S – позірна щільність часток, кг/м3;
g – прискорення вільного падіння, м/с2.
Перепад тиску газу в шарі з дрібняком, який кипить між частками великої фракції, досить точно розраховується за формулою ( = 0,72 0,83)
. (24)
У нижній частині доменної печі й у скруберах газ проходить через насадку зі стікаючим розплавом, який займає частину об’єму міжкускових пустот, зменшуючи порозність насадки К. При ламінарному режимі потоку рідини порозність шару зі стікаючим розплавом може бути розрахована за формулою
, (25)
де і ШЛ – динамічна в'язкість і щільність розплаву, Па*с і кг/м3;
GШЛ – масовий вихід розплаву, кг/с;
А – площа горизонтального перерізу реактора, м2.
Зі збільшенням виходу і в'язкості шлаку і зниженням його щільності порозність шару коксу зі стікаючим шлаком зменшується. При середній в'язкості 0,5 – 1,0 Па*с проміжний шлак займає 0,013 – 0,018 м3/м3 об’єму коксової насадки. Чавун займає в шарі коксу не більше 2,3*10-4 – 4,6*10-4 м3/м3 через високу його щільність і низьку в'язкість. Його незначний вплив на порозність коксової насадки в заплечиках можна не враховувати, обмеживши урахуванням об’єму шлаку. Рівняння Ергана для розрахунку втрат напору газу в шарі коксу зі стікаючим розплавом і критерій Рейнольдса для розрахунку коефіцієнта опору набувають вигляду
, (26)
. (27)
Часткове заповнення рідиною міжкускових пустот приводить до збільшення опору проходу газів. При заповненні до 10 % об’єму пустот шару розплавом збільшення перепаду тиску газу невелике, до 30 %. Більше заповнення рідиною пустот шару супроводжується різким збільшенням перепаду тиску газу в 2 – 2,5 рази. В умовах нижньої частини доменної печі найбільш сильний вплив на газопроникність шару коксу зі стікаючим розплавом робить його механічна міцність. Зниження порозності коксової насадки на 0,05 м3/м3 через зменшення міцності коксу приводить до збільшення перепаду тиску доменного газу більше ніж на 62 %.
У розділі 4 “РОЗПОДІЛ СТАТИЧНОГО ТИСКУ ГАЗІВ ПО ВИСОТІ ДОМЕННОЇ ПЕЧІ” виконано аналіз і розроблена тризонна математична
