МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

НАБОКА ВОЛОДИМИР ІВАНОВИЧ

УДК 669.162.2:533.001.2

УДОСКОНАЛЕННЯ УПРАВЛІННЯ ХОДОМ ДОМЕННОЇ ПЛАВКИ

НА ОСНОВІ ДОСЛІДЖЕННЯ ГАЗОДИНАМІКИ

ВЕРХНЬОЇ І НИЖНЬОЇ ЗОН ПЕЧІ

05.16.02 – Металургія чорних і кольорових металів та спеціальних сплавів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2008

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Іващенко В.П., Національна металургійна академія України, перший проректор (м. Дніпропетровськ)

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Довгалюк Б.П., Дніпродзержинський державний технічний університет, професор кафедри електроніки та автоматизації

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Бузоверя М.Т., ТОВ «Об’єднання виробників чавуну», головний технолог (м. Дніпропетровськ)

Захист відбудеться «__03_ » липня 2008 р. о 12:30 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 при Національній металургійній академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Національної мета-лургійної академії України (49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4).

Автореферат розіслано 27 травня 2008 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор Камкіна Л.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Однією з проблем ефективної експлуатації доменних печей є забезпечення оптимального газодинамічного режиму плавки. Відхилення від нього супроводжується порушенням ходу печей, зниженням продуктивності, перевитратою коксу і погіршенням якості чавуну.

Існуючі візуальні, аналітичні і приладові методи виявлення відхилень від нормального режиму доменної плавки супроводжуються запізнюван-ням заходів для усунення цих відхилень. Тому вивчення газодинаміки до-менної печі з метою виявлення можливостей оперативної оптимізації режиму плавки є актуальною задачею.

У цьому зв’язку, дослідження з розробки більш точних математич-них моделей газодинаміки доменного процесу, що дозволяють одержувати оперативну інформацію на більш ранніх стадіях і вживати своєчасних за-ходів по коректуванню режиму, є важливою практичною задачею сучасно-го доменного виробництва.

Впровадження заходів з оптимізації газодинамічного режиму домен-ної плавки забезпечить ефективну експлуатацію доменних печей, підви-щення техніко-економічних показників їх роботи і, в цілому, ефективність металургійної промисловості України, що й робить актуальною тему даної дисертаційної роботи.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема роботи відповідає одному з основних напрямів наукової діяльності кафе-дри металургії чавуну Національної металургійної академії України і галу-зевій інноваційній Програмі Міністерства промислової політики України щодо енергозбереження на підприємствах гірничо-металургійного комп-лексу України на 2006-2012 роки.

Основу дисертації становлять результати науково-дослідних робіт, ви-конаних під керівництвом або особисто автором в період з 1993 по 2008 роки: «Розробка технологічних основ автоматизованого управління газо-динамічним режимом доменної плавки» (1997 р.), «Розробка прийомів ведення доменної плавки шляхом управління газовим потоком на основі комп’ютерної інформаційної системи» (2000 р.), «Дослідження розподілу шихти конусним завантажувальним пристроєм і вибір прийомів заванта-ження, що забезпечують оптимальне використання теплової і відновлю-вальної енергії газового потоку» (2005 р.), «Дослідження газодинаміки нижньої зони доменної печі з метою стабілізації ходу доменної плавки» (2006 р.).

Мета і завдання дослідження. Метою дослідження є покращення техніко-економічних показників роботи доменних печей шляхом удоско-налення управління газодинамічним режимом доменної плавки. Для до-сягнення поставленої мети вирішувалися наступні основні завдання:

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

•

Практичне значення одержаних результатів. Отримані в роботі ре-зультати знайдуть практичне застосування в доменних цехах металургій-них підприємств України при управлінні ходом доменних печей, а також при викладанні спеціальних дисциплін для студентів спеціальності «мета-лургія чорних металів». Зміст практичних результатів:

•

•

•

Використання результатів роботи:

•

•

•

Результати роботи прийняті до використання і практичного застосу-вання на металургійному комбінаті ВАТ «Запоріжсталь». Документи, що підтверджують використання результатів роботи, наведені в додатках до дисертації.

Особистий внесок здобувача. Дисертація є самостійною роботою ав-тора, яка грунтується на результатах опублікованих досліджень. Основні ідеї та обґрунтування загальної концепції роботи, постановка задач, тео-ретичне викладення, вибір методик і реалізація чисельного дослідження процесів газодинаміки верхньої та нижньої зон доменної печі, створення математичних моделей для визначення оптимальних параметрів заванта-ження і дуттєвого режиму та управління роботою доменної печі при вико-ристанні послідовного симплексного методу, аналіз одержаних результатів і формулювання висновків належать автору. Автор не використовував в роботі ідей та розробок, що належать співавторам спільно опублікованих робіт.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи пред-ставлялися й обговорювалися на міжнародних науково-технічних конгре-сах, конференціях і семінарах з виробництва чавуну: «Науково-інженерний семінар фахівців доменного виробництва» (м. Новокузнецьк, Росія, 1994 р.; м. Магнітогорськ, Росія, 1996 р.; м. Москва, Росія, 1999 р.; м. Череповець, Росія, 2002 р.), «Міжнародний європейський конгрес доменників» (м. Стокгольм, Швеція, 2005 р.), «Металургійна конференція з виробни-цтва чавуну і сталі» (м. Лінц, Австрія, 2006 р.), «4-й Міжнародний науко-во-технічний конгрес по виробництву чавуну ІС8ТГ06» (м. Осака, Японія, 2006 р.).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 11 статтях в спеціалізованих наукових журналах, 7 тезах доповідей на науково-технічних конференціях, конгресах, семінарах. Список опублі-кованих праць в спеціалізованих наукових журналах наведений в авто-рефераті.

Структура дисертації. Робота складається із вступу, 6 розділів, ви-сновку, списку літератури із 115 найменувань. Вона викладена на 140 сто-рінках, включає 30 рисунків, 12 таблиць і додаток.

На захист виносяться:

•

•

•

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертації, сформульована мета роботи і визначені основні завдання досліджень, описаний об’єкт, предмет і методи досліджень, наведені наукова новизна і практична зна-чимість отриманих результатів, особистий внесок здобувача, а також пред-ставлені відомості про апробацію і публікацію основних результатів ро-боти.

У першому розділі проведений аналіз методів діагностики і мате-матичного опису газодинаміки доменного процесу, який виявив, що од-нією з проблем ефективної експлуатації доменних печей є забезпечення оптимального газодинамічного режиму плавки. Відхилення від нього су-проводжуються порушеннями ходу печей, зниженням їх продуктивності, перевитратою коксу і погіршенням якості чавуну. У виробничих умовах регулювання газодинамічного режиму доменної плавки здійснюється пе-реважно на стадіях вже існуючих порушень і відхилень від нормального ходу печей. Можливості раннього виявлення цих відхилень обмежені че-рез відсутність надійних методів діагностування змін газодинамічних умов роботи доменних печей. Тому розробка нових та удосконалення існуючих методів діагностування є актуальним і важливим завданням. Залишаються також актуальними дослідження з розробки математичних моделей газоди-наміки доменного процесу, які дозволяють одержувати оперативну інформа-цію про тенденції змін газодинамічних умов працюючих доменних печей, вживати своєчасні заходи щодо їх коректування та оптимізації.

У другому розділі наведені дослідження, що спрямовані на одержан-ня достовірних залежностей при застосуванні реальних статистичних даних для управління роботою доменних печей в умовах комбінату «Запоріжсталь». Відомо, що при аналізі масивів виробничих даних ви-никають складності, пов’язані з надійністю їх контролю, оскільки на них впливає цілий ряд факторів, що викривляють кінцеві результати аналізу. Цими факторами є: розлад ходу доменних печей через спон-танні зміни технологічних параметрів, заплановані і незаплановані зупинки печі, тихий хід печі, порушення графіку випуску рідких продуктів плавки, перешихтовки й осадки шихти, зниження тиску дут-тя на випусках тощо.

Необхідно відзначити, що в різних дослідних періодах величи-ни цих факторів - порушників нормальної роботи печі - різні і їх співвід-ношення можуть значно знижувати представницький характер періодів, що досліджуються. Крім того, існують інформаційні неточності, пов’я-зані з економічною необхідністю передачі певної кількості продукції з одного агрегату на інший, запізнюванням інформації, випадковими флук-туаціями процесу і просто помилками при переписуванні даних.

Запропоновано відсівання виробничих даних виконувати в три етапи. На першому етапі здійснюється аналіз залежності основних техніко-економічних показників доменної плавки від факторів, що порушують робо-ту доменної печі. На основі цього аналізу виключаються дослідні періоди виробничих даних, де вплив «факторів-порушників» на роботу доменної печі значний. На другому етапі здійснюється обчислення узагальненого фактора на основі функції бажаності Харрингтона, що включає в себе усі відомі фактори-порушники нормальної роботи доменної печі. На підставі величини узагальненого фактора відсіваються періоди, де взаємовплив факторів-порушників значний. На третьому етапі здійснюється відсів гру-бих помилок при визначенні регресійних залежностей на основі розра-хунку критеріїв Ст`юдента для кожного дослідного періоду і порівняння їх з табличними значеннями.

Застосування такого багатоступінчастого відсівання дозволяє уникнути помилкових регресійних залежностей і одержувати стохастичні моделі з максимально високою точністю, що обумовлює високу ефектив-ність застосовуваних моделей для поліпшення й оптимізації доменного процесу.

У третьому розділі дисертаційної роботи виконаний аналіз газо-динаміки верхньої зони доменної плавки, здійснені оцінка і ранжирування факторів, що впливають на верхній перепад тиску газу; розроблені математичні моделі з метою застосування їх для більш точного ведення доменної плавки.

Відомо, що газодинамічні умови верхньої і нижньої зон доменної печі значно відрізняються і в певній мірі автономні. Верхній перепад тиску є одним з основних газодинамічних параметрів доменної плавки, за допомо-гою якого здійснюється раціональне управління доменною піччю. Необ-хідно відзначити, що при сучасному розвитку доменного процесу до-тепер не існує адекватної математичної моделі розподілу матеріалів на колошнику і газодинаміки верхньої зони доменної печі. Основним недоліком універсальних формул для визначення втрат тиску є їхня обмеженість, тому що вони описують газодинаміку стаціонарного рівномірно розподіленого шару шихти. Натомість у доменній печі іс-нує ряд факторів, що змінюють умови руху газу. Таким чином, рівняння залежності втрат тиску від параметрів газового потоку і шару шихти, яки-ми користуються в даний час (формули Жаворонкова, Ергуна та ін.), не можуть бути використані для управління доменним процесом, оскільки не враховують великої кількості факторів, що мають місце в реальній домен-ній печі. До них відносяться наступні: система завантаження; швидкість руху шихтових матеріалів; периферійне підведення і відвід газового потоку; наявність міжшарових зон та інші. Ці фактори так чи інакше пов’язані з нерівномірністю розподілу газового потоку за поперечним перерізом доменної печі.

Аналіз газодинаміки верхньої зони доменної печі №3 «Запоріжсталі» показав, що вплив кількості газу, середнього діаметра кусків залізорудної шихти, температури і тиску колошникового газу на перепад тиску, розра-хований за формулою Жаворонкова, є близьким до класичного: зі збіль-шенням кількості газу перепад тиску збільшується в залежності, близькій до квадратичної; збільшення середнього розміру кусків залізорудної шихти призводить до зниження перепаду; ріст температури збільшує, а тиск змен-шує перепад тиску у верхній зоні доменної печі.

Зв’язок між розрахованими за формулою Жаворонкова і фактичними значеннями перепаду тиску повинен бути лінійним, якщо інші фактори не впливають на останній. Для визначення цього розрахували перепад тиску за формулою Жаворонкова і визначили зв’язок його з фактичним перепадом тиску, як показано на рис.1. Видно, що насправді зв’язок між фактичним перепадом тиску і розрахунковим - нелінійний, а значення роз-рахункового перепаду значно нижче фактичного. Це свідчить про те, що не враховані інші фактори, про які говорилося раніше, і які значною мі-рою впливають на фактичний перепад тиску.

Оскільки реальні втрати тиску у верхній частині печі залежать не тільки від факторів, зазначених у формулі Жаворонкова, але й від ціло-го ряду інших, пов’язаних з нерівномірністю розподілу газового потоку уздовж радіуса, то логічно припустити, що реальні втрати тиску у верхній частині печі ДРв дорівнюють різниці втрат тиску в рівномірно розподілено-му шарі ДРР (формула Жаворонкова) і втрат тиску, створюваних іншими – неврахованими факторами ДРНФ , які обумовлюють певну нерівномір-ність газового потоку і знижують загальні втрати тиску у верхній частині доменної печі:

ДРв = ДРр - ДРнф. (1)

Отже, втрати тиску, що виникли в результаті дії неврахованих факторів, дорівнюють різниці:

ДРнф = ДРр - ДРв . (2)

За допомогою множинного регресійного аналізу визначили залеж-ність втрат тиску ДРнф від цих факторів

ДРнф = - 81,424 + 4,903·М - 0, 0376·Н + 4,89·h - 0,203·Ок, (3)

де М - маса подачі (у межах 16-22,5 т ); Н - кількість нормальних (прямих) подач в циклі (40-80%); h - рівень засипки (1-1,75 м); Ок - кількість окотишів у шихті (0-22 %). Коефіцієнт кореляції R = 0,761 > Rкр = 0,352 при показнику надійності Ю = 6,64 > ЮКР=2,7 свідчить про достатньо високу надійність отриманої залежності (3).

Відповідно до рівняння (1), одержали стохастичну модель перепаду тиску верхньої зони доменної печі:

ДРв = 66,482+ 0,3589·А1· гг·м 0,2· (Нд - h )·VK1,8·Q/d екв1,2 - 3,519·М + 0,027·Н - 3,512·h + 0,146· Ок (4)

з коефіцієнтом кореляції R = 0,679 > RКР=0,352 при показнику надій-ності Ю = 5,24 > 2,7, що свідчить про достатню надійність залежності.

Верхній перепад тиску відображає одну сторону доменного процесу – інтенсивність роботи доменної печі, яка визначає в основному продуктив-ність агрегату. Друга сторона – використання газового потоку є не менш важливою для процесу, оскільки визначає його економіку через еко-номію коксу – найдорожчого компонента доменної шихти.

Використання газового потоку може бути оцінене кількома показ-никами: ступенями використання СО (зСО), водню (зН2) і сумарного СО і Н2 (з?). Для одержання стохастичних моделей із трьох показ-ників було обрано ступінь використання СО у колошниковому газі, оскільки у верхній зоні доменної печі при досить низьких темпера-турах саме СО працює найбільш ефективно на відміну від водню, що краще працює у високотемпературних зонах. Крім того, його коре-ляція з верхнім перепадом тиску є досить низькою, що свідчить про відносну автономність даного параметра.

Методами математичної статистики із застосуванням множинного регресійного і кореляційного аналізів були отримані надійні лінійна і квадратична моделі ступеня використання СО в доменній печі в за-лежності від параметрів завантаження.

Квадратична модель має у своєму складі деякі члени, вплив яких на кінцевий результат є незначним і знаходиться у межах помилки. Тому для спрощення моделі провели ранжирування факторів, виявили члени з незначним впливом на параметр оптимізації, відсіяли їх і оцінили адекватність отриманого неповного квадратичного полінома, що набув більш простого виду:

зСО(нкв) = 41,977- 0,0113·М - 0,1014·Н+2,306·h - 0,0658·Ок + 0,0006·МН - 0,1216·Н·h +

+ 0,00347·Н·Ок - 0,0788·h·Ок +0,0027·Н2 + 1,382·h2 (5)

з наступними статистичними характеристиками: R = 0,810 > RКР = 0,381; Ю = 9,47 > 2,7. Судячи зі статистичних характеристик, дана модель є адекватною і може використовуватись для практичних цілей у межах даного факторного простору.

Для з’ясування подальших можливостей поліпшення використан-ня газового потоку здійснили оптимізацію технологічних умов методом Лагранжа, використовуючи математичні моделі (3 - 5) з обмеженнями по газопроникності, описаними залежністю (4).

Оптимізація математичних моделей показала, що максимальному використанню газового потоку (47,2%) при досить невисокому верхньо-му перепаді тиску (31,1 кПа) відповідає робота доменної печі №3 при на-ступних параметрах завантаження: маса подачі М = 23 т, кількість нормальних (прямих) подач Н=85%, рівень засипки h = 1,5 - 1,75 м, кількість окотишів у шихті Ок = 15%.

Керуючись даними, отриманими при дослідженні й оптимізації верх-ньої зони доменної печі, провели дослідну плавку на доменній печі №3 протягом квітня 2003 року. За порівняльний період обрали місячний період роботи доменної печі в серпні 2003 року, коли піч працювала у відмінних від дослідного періоду умовах по завантаженню. Був проведений аналіз періодів з приведенням техніко-економічних показників до однакових технологічних умов за загальноприйнятими нормативами.

Розрахунки показали, що в оптимальних умовах роботи доменної печі витрата коксу знизилася на 2,5%, а продуктивність підвищилася на 6,5%.

Таким чином, стохастичні моделі, отримані на основі реальних да-них роботи доменної печі, дозволяють знаходити оптимальні параметри доменної плавки, при яких доменна піч має найкращі техніко-економічні показники для конкретних технологічних умов. Однак постійно знаходи-тись в оптимальних умовах доменна плавка не може, тому що на неї діють більше двадцяти факторів, які постійно змінюються в часі, в результаті чого оптимум дрейфує. В цьому випадку необхідно складати нову модель за новими значеннями параметрів і оптимізувати її, що досить складно, або застосувати експериментальні методи оптимізації, які дозволять по-стійно відстежувати оптимум у процесі його дрейфу. В даний час техно-логи (майстри доменної печі) ведуть пошук оптимуму методом спроб і помилок, ефективність якого є невеликою. Найбільш прийнятний метод, як показала практика, - це застосування послідовного симплекс-ного методу (ПСМ).

В четвертому розділі наводяться результати дослідних плавок, прове-дених у травні-червні 2004 року, метою яких було визначення впливу пара-метрів завантаження печі на техніко-економічні показники її роботи і вибір за допомогою комп’ютерних програм оптимальних значень цих параметрів з використанням послідовного симплексного методу (ПСМ). Тривалість періодів становила від 3 до 8 годин.

Спочатку реалізувався стандартний план, що складався з k+1 екс-периментів (k - кількість факторів), далі знаходився гірший варіант хji,ч із всіх експериментів реалізованого плану і розраховувались координати наступного кроку (експерименту) за формулою:

хji,n+1 = (2/k)·(Ухji) - хji,ч ,

де хji,n+1 — значення j-го фактора в новому i-тому експерименті, Ухji - сума ко-лишніх значень факторів, хji,ч - значення j- го фактора в гіршому (по пара-метру оптимізації) експерименті. За новим значенням факторів ставився експеримент, і процедура повторювалася до досягнення оптимуму.

Ефективність параметрів завантаження, зазначених у вихідній матри-ці, оцінювалась за верхніми втратами тиску газу (ДРв) і використанням га-зового потоку (зГ). За узагальнюючі параметри прийняли два показники:

В1 = зГ /ДРв і В2 = зГ · ДРMIN / ДРв· зMAX ,

що представляють собою відношення ступеня використання газового по-току до верхніх втрат тиску звичайне (В1) і нормоване (В2). Обидва показ-ники наближаються до максимуму при збільшенні ступеня використан-ня газового потоку і при зниженні перепаду тиску газу.

Експерименти показують, що рух симплекса до оптимуму су-проводжується збільшенням маси подачі з 19 до 22,5 т, підвищенням відсотка нормальних (прямих) подач у системі завантаження з 40 до 80%, зміною рівня засипки з 2 до 1 м і збільшенням кількості окотишів у шихті з 10 до 18%. За рахунок цього ступінь використання газового потоку підвищився до 46-47%, верхній перепад тиску газу збільшився до 30-35 кПа. Дуттєві параметри під час експериментування намагалися підтримувати з мінімальним відхиленням від середнього рівня.

Таким чином, дослідження показали, що експериментальний метод послідовного симплексного пошуку з успіхом можна застосовувати для ведення доменної печі за відсутності екстремальних умов.

У п’ятому розділі наведені результати досліджень газодина-мічних умов нижньої зони доменної печі. Нижній перепад тиску в доменній печі являє собою різницю тиску газу між кільцевим повітро-проводом і низом шахти доменної печі.

Для аналізу весь шлях руху газу, контрольований нижнім перепадом тиску газового потоку, розділили на три зони:

ДРН = ДРТ + ДРФЗ + ДРНЗ , (6)

де ДРТ , ДРФЗ і ДРНЗ – перепади тиску газового потоку на ділянках кільцевого і фурменого тракту, у фурменій зоні і в шихті нижньої зони від-повідно, кПа.

Перепади тиску у першій і другій зонах можуть бути підраховані з достатньою точністю з використанням газодинамічних формул Бернуллі, Рейнольдса, Нікурадзе і Блазиуса.

Третя зона містить в собі велику кількість невизначених факторів, врахувати які звичайними способами за допомогою відомих формул не вда-ється, тому для визначення втрат тиску газу в цій зоні необхідно застосову-вати експериментальні методи. Дослідження показали, що сумарні втрати тиску газового потоку на тракті «кільцевий повітропровід - горн до-менної печі» складають приблизно 6,5% від загального перепаду і 8,2% від нижнього, головна частина з яких припадає на перехід газу з фурми в горн печі.

Таким чином, близько 25% від нижнього перепаду складають втрати в трубопроводах і циркуляційній зоні. Сумарні втрати тиску на ділян-ці від виходу газу з фурми до сипучого шару (коксу) складають близько 13,5% від нижнього перепаду, у шарі шихти від циркуляційної зони до низу шахти - близько 75%. Ці втрати бажано враховувати ди-ференційовано при розрахунку нижнього перепаду тиску, що дозволить знизити загальну помилку практичних розрахунків.

Для опису третьої зони ДРН здійснили теоретичний аналіз і ви-явили коло факторів, які впливають на нижній перепад тиску:

ДРН =ѓ(Н, QД, ТД, ТГ , Р, сГ, S, d, Ф, е, FS, L,сЖ, зЖ, ТЧ, ГВ, КЗ), (7)

серед яких: кількість горнових газів QД, їхня питома вага сГ, площа пе-ретину потоку S, температура Т і тиск Р газу, а також фактори стовпа ших-ти: висота Н, еквівалентний діаметр шихти d, фактор форми Ф і порозність шихти е. Крім того, нижня зона доменної печі характеризується наявністю розплаву у міжкускових порожнинах, по яких рухається газ, відповідно до формули Шервуда-Жаворонкова. Тобто рух газу залежить ще і від масової швидкості рідини L і газу G, питомої ваги сЖ і в’язкості зЖ шлаку, а також питомої поверхні коксу FS. Тепловий стан печі (Тс) теж значно впливає на газодинаміку нижньої зони, але у відомих форму-лах він не знаходить відображення. В якості показника теплового стану може фігурувати комбінація температури чавуну і теоретичної температу-ри горіння Тс = ѓ(Тг , Тч).

Після аналізу і відсівання виконали угруповання (синтез) наявних 17 факторів і одержали перелік факторів, які, відповідно до теорії, повин-ні впливати на нижній перепад тиску:

ДРН =ѓ(QМГ, dК , L, ВШ, Тс), (8)

де добуток витрати горнового газу на його питому вагу дає масову кількість горнового газу, кг/с: QМГ= QГ · сГ.

Аналіз графічних і розрахункових даних дозволив здійснити ранжирування факторів за ступенем впливу на величину нижнього перепаду тиску: на першому місці знаходяться температурні умови горна (теоре-тична температура горіння, температура рідких продуктів плавки і їхнє співвідношення); на другому - параметри горнового газу (кіль-кість і питома вага); на третьому - якість коксу (розмір кусків коксової насадки) і на четвертому - параметри шлаку (кількість і в’язкість).

За допомогою цих даних були отримані адекватні стохастичні матема-тичні моделі залежності нижнього перепаду тиску від умов роботи печі у вигляді показової і критеріальної функцій:

ДРН = 7,15·0,9976QГ ·11,098 сГ ·422,1dК · 0,971Lш · 1,044Вш ·3,137 Тс ; (9)

ДРН· d1,5 /Q·с·g0,5 = 811,48 (L·B·d)0,5 ·Тч/Q·с·Тг, - 0,4204 (10)

зі статистичними характеристиками R=0,863; м= 6,825, у наступних межах зміни факторів: QГ = 137,4 ч 176,3 м/с; сГ = 0,57 ч 0,65 кг/м3 ; dК = 0,0369ч 0,0376м; LШ = 10,3 - 14,6 кг/с; ВШ = 3,8 - 4,6 Пуаз; ТС= 1,35 ч 1,48.

Дані моделі добре узгоджуються з експериментальними даними і їх можна використовувати для прогнозування нижнього перепаду тиску при зміні шихтових і дуттєвих умов доменної плавки.

В шостому розділі наведені результати досліджень, які свідчать про те, що при кількості шлаку менше 450 кг/т чавуну основним фактором, що впливає на нижній перепад тиску, є співвідношення температури у зоні горіння до температури чавуну. Виявлено, що при величині цього співвід-ношення у межах 1,43-1,45 нижній перепад тиску має мінімальне значен-ня, сприятливе для економічної та інтенсивної роботи доменної печі.

Для умов доменної печі №3 меткомбінату «Запоріжсталь» різниця вказаних температур коливається від 550 до 750°С в залежності від техно-логічних умов плавки. Найбільш сприятлива, судячи з нижнього пере-паду тиску, різниця цих температур в зоні горіння і чавуну становить 620-650°С. Зниження і збільшення цієї різниці супроводжуються зростанням перепаду тиску. Причини такої закономірності криються в особливостях теплообміну і шлакоутворення в нижній зоні доменної печі. В залежнос-ті від коливань різниці температур змінюється інтенсивність теплообміну, що пропорційна висоті нижнього ступеня теплообміну.

З графіка рис. 2 видно, що зростання співвідношення температур вище 1,43 збільшує висоту нижньої зони теплообміну. А чим більшою є висота нижньої зони теплообміну, тим більший об’єм займає високотемпературна область (збільшується об’єм горнових газів відповідно до газового закону Гей-Люссака) і тим більшою є величина нижнього перепаду тиску. У на-шому випадку висота нижньої зони теплообміну починає збільшува-тись при співвідношенні температур вище 1,43-1,45. З нею синхронно збільшується і нижній перепад тиску, як показано на рис. 2 (права гілка кривої).

Зниження зазначеного співвідношення температур відносно опти-мального (1,43-1,45) теж веде до збільшення перепаду тиску (рис. 2, ліва гілка кривої). Тут ступінь прямого відновлення є досить високим, тому температура зони горіння не покриває в достатній мірі потреб ниж-ньої зони в теплоті. У зв’язку з цим основну роль у формуванні нижньо-го перепаду тиску має фізична властивість шлаку - в’язкість, що збільшується зі зниженням теплового стану нижньої зони, підвищуючи нижній перепад тиску газу.

Таким чином, для створення кращих умов роботи нижньої зони печі необхідно регулювати теоретичну температуру горіння параметрами дуття (температурою, вологістю, кількістю природного газу, киснем) з та-ким розрахунком, щоб співвідношення температур (ТГ / ТЧ) не виходило за рамки 1,43-1,45.

Для перевірки цього на до-менній печі №3 у вересні 2004 року була проведена дослідна плавка, під час якої на кожно-му випуску чавуну вносились поправки для коректування теоретичної температури го-ріння шляхом змін вологості дуття, витрат природного газу і кисню з таким розрахунком, щоб відношення теоретичної температури горіння до температури чавуну знаходилося в межах 1,43-1,45. Регулюван-ня теоретичної температури горіння здійснювалося в основному шляхом зміни кількості вологи і природного газу в комбінованому дутті.

Для порівняння обрали місячні періоди 2004 року, при яких це від-ношення було максимальним – 1,509 (у лютому) і мінімальним – 1,382 (у грудні).

Технологічні показники в дослідному і порівняльному періодах практично не відрізнялися: система завантаження, що значно впливає на використання газового потоку, була однаковою; склад і якість шихти теж були досить близькими, а вплив інших параметрів на витрату коксу та продуктивність нівелювався перерахунком на однакові умови.

Перерахування на однакові технологічні умови за загальноприй-нятими коефіцієнтами показало, що при максимальному значенні по-казника ТГ / ТЧ =1,509 перевитрата коксу відносно оптимального його значення (1,432) склала 2%. Робота печі з мінімальним значенням по-казника ТГ / ТЧ =1,382 супроводжувалася збільшенням витрати коксу на 3%. Продуктивність печі змінювалась незначно і коливалася в дослід-них періодах у межах 0,07-0,28%.

Таким чином, дослідження показали, що при кількості шлаку мен-ше 450 кг/т чавуну основним фактором, що впливає на нижній перепад тиску, є співвідношення температур в зоні горіння ТГ і чавуну ТЧ . Вста-новлено, що при значенні цього співвідношення у межах 1,43-1,45 нижній перепад тиску має мінімальне значення, що забезпечує інтенсивну роботу доменної печі і економію коксу.

ВИСНОВКИ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНО У НАСТУПНИХ ПУБЛІКАЦІЯХ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

9.

10.

11.

У роботах, наведених в авторефераті і спільних публікаціях, автору належать: технологічний аналіз руху газового потоку у верхній і нижній зонах доменної печі [1,4,5]; ідея обробки первинних даних для одержання адекватних математичних моделей [6,8]; розробка алгоритмів ведення плавки за факторами верхньої і нижньої зон доменної печі [10,11], реко-мендацій щодо стабілізації нижнього