Анализ возможных способов снижения потерь тепла при выплавке чугуна в доменных печах тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.02, кандидат наук Джимо Сумайла Омейза

• Джимо Сумайла Омейза
• кандидат наук
• 2016

Оглавление диссертации кандидат наук Джимо Сумайла Омейза

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

1.1. Анализ характеристик шлаковых систем

1.2. Современные представления о восстановлении оксидов железа в доменной печи

1.3. Математическая модель теплообмена

1.4. Основные закономерности газодинамики доменного процесса

1.5. Постановка задач исследования

ГЛАВА 2. АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИХ ПОТЕРИ ТЕПЛА В

ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

2.1. Методика расчета потерь тепла

2.2 Поиск индикаторов, отражающих потери тепла

2.3 Разработка методов оценки показателей, характеризующих процессы теплообмена в периферийной области верхней зоны печи

2.4 Анализ производственных данных о взаимосвязи показателей, характеризующих тепловое состояние верха доменной печи, и тепловых

потерь

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО УПРАВЛЕНИЮ ТЕПЛОВЫМ СОСТОЯНИЕМ ПЕРИФЕРИЙНОЙ ОБЛАСТИ ВЕРХНЕЙ ЗОНЫ ПЕЧИ

3.1 Методика анализа влияния параметров загружаемой шихты на высоту верхней ступени теплообмена

3.2 Влияние рудной нагрузки на высоту верхней зоны теплообмена

3.3 Влияние диаметра кусков агломерата на высоту верхней зоны печи

3.4 Влияние рудной нагрузки на степень косвенного восстановления

3.5 Разработка рекомендаций по оценке работы периферийной зоны доменной печи

3.6 Анализ доли различных фракций агломерата на восстановительные

процессы и газодинамику доменной печи

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ Справка об использовании результатов исследования

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ возможных способов снижения потерь тепла при выплавке чугуна в доменных печах»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. Диссертация содержит основные результаты теоретических и прикладных исследований, которые можно охарактеризовать важной научной задачей в области производства чугуна. Работа направлена на совершенствование технологии доменной плавки, что может быть достигнуто путем снижения потерь тепла при выплавке чугуна.

В общем расходе тепла, а, следовательно, и топлива, большую роль играют потери тепла через стенки печи. Поэтому изучение факторов, определяющих потери тепла является актуальной задачей, которая имеет большое практическое значение.

Производство чугуна в доменных печах является одним из основных металлургических процессов, требующих больших энергозатрат. В настоящее время на выплавку чугуна расходуется 400 - 500 килограмм углерода на тонну чугуна, это составляет более 50 % из общего расхода углерода на производство изделий из черных металлов. Совершенствование технологии доменной плавки за последние десятилетия было связано с внедрением мероприятий, направленных на снижение удельного расхода кокса.

К основным мероприятиям относятся:

1. Повышение содержания железа в железорудной части шихты.

2. Высокоинтенсивная работа доменных печей.

3. Работа печей с повышенным давлением под колошником.

4. Повышение качества агломерата и кокса.

5. Изменение конструкции и профиля доменных печей.

Важным вопросом является поиск путей снижения потерь тепла. Для решения этой задачи имеются все объективные условия, а именно,

возможность формирования столба шихтовых материалов с заданными характеристиками с использование современных бесконусных загрузочных устройств.

Степень разработанности темы исследования. Основой решения этой задачи является современная теория доменного процесса, основные положения которой заложены в работах ученых с мировым именем. Среди них следует отметить Бардина И.П, Воскобойникова В. Г., Готлиба А. Д., Грузинова В. К., Китаева Б.И., Красавцева Н.И., Некрасова З.И., Павлова М.А., Похвинева А.Н., Рамма А.Н, Соколова И.А., Сорокина В. А., Стефановича М. А. Сформулированные основные положения теории доменной плавки развивались исследованиями Андронова В.И., Бабарыкина Н. Н., Вегмана Е. Ф., В.М., Дмитриева А.Н., Ефименко Г. Г., Жеребина Б.Н., Захарова И. И., Курунова И.Ф., Ковшова В.Н., Леонидова Н.К., Логинова В. И., Овчинникова Ю. Н., Спирина Н.А., Тараканова А.К., Тарасова В. П., Тихомирова Е. Н., Товаровского И.Г., Торопова Е.В., Фиалкова Б.С., Шаврина С. В., Швыдкого В.С., Шумилова К.А., Юсфина Ю.С., Ярошенко Ю. Г. и их учениками.

Актуальность работы определяется необходимостью изучения всего спектра факторов, определяющих потери тепла в нижней зоне доменной печи, выявления доминирующих связей развития физико-химических процессов и необходимостью разработки рекомендаций по снижению потерь тепла. Потери тепла влияют на удельный расход кокса, а, следовательно, и на производительность доменной печи. При производстве черных металлов наибольшее количество углерода топлива расходуется на производство чугуна, поэтому снижение потерь тепла приводит к экономии топлива и уменьшению воздействия на окружающую среду. Поэтому поиск путей снижения потерь тепла является актуальной задачей.

Цель диссертационной работы состоит в определении путей снижения

потерь тепла при выплавке чугуна в доменных печах.

Достижение этой цели потребовало решения следующих задач:

• анализа современного состояния теории и практики производства чугуна, а также конкретизации задач, решение которых обеспечивает снижение потерь тепла;

• анализа производственных данных о работе доменных печей, работающих на смеси агломерата и окатышей;

• совершенствования методов оценки развития основных процессов доменной плавки на основе математических моделей, что потребовало разработки новых методов моделирования влияния рудной нагрузки и гранулометрического состава шихтовых материалов на процессы теплообмена в периферийной области верхней зоны печи;

• прогнозирования влияния распределения рудной нагрузки и качества ЖРМ на развитие основных процессов, протекающих в периферийной области верхней зоны доменной печи;

• разработка рекомендаций по снижению потерь тепла в нижней зоне печи.

Методология и методы исследований базируются на физическом и математическом моделировании процессов, протекающих в печи. Для решения задач исследования использовалась информация, полученная на действующих доменных печах в процессе нормальной их работы и в периоды, характеризуемые целенаправленным или вынужденным изменением режимных параметров.

Научная новизна диссертации заключается в следующем:

1. Установлен характер взаимосвязи между колебаниями затрат тепла на развитие реакций прямого восстановления и показателями, характеризующими затраты тепла в нижней зоне печи и потерями тепла.

2. Расчётным путём установлено и практическими данными подтверждено, что температурное поле периферийной зоны определяет тепловые нагрузки на холодильники распара и заплечиков.

3. Дана количественная оценка взаимосвязи температурного поля периферийной зоны и тепловых нагрузок на холодильники распара и заплечиков. Снижение температуры периферийных газов свидетельствует о повышении тепловых нагрузок на холодильники заплечиков и распара, за счет снижения температуры плавления первичного шлака. Установленная зависимость позволяет использовать информацию о температуре периферийных газов для управления распределением материала по сечению доменной печи.

4. Разработана математическая модель, позволяющая оценить влияние гранулометрического состава агломерата на время восстановления куска по реакциям косвенного восстановления. Показано, что исключение фракции +40 и +25 мм из агломерата позволяет улучшить косвенное восстановление и тем самым снизить затраты и потери тепла на выплавку чугуна в доменных печах.

5. Разработана методика оперативной оценки и прогноза изменения тепловых нагрузок на холодильники при анализе совместного изменения температуры и состава газа на периферии.

На защиту выносятся:

• результаты статистического анализа работы доменных печей, которые подтвердили теоретические положения;

• результаты математического моделирования влияния рудной нагрузки и гранулометрического состава железорудных материалов на температурное поле в периферийной области верхней зоны доменной печи, которые показали необходимость целенаправленного формирования столба шихтовых материалов;

• рекомендации по оптимизации гранулометрического состава агломерата.

Теоретическая и практическая значимость работы проявилась в:

1. Разработке комплекса рекомендаций по контролю тепловой работы периферийной области верхней зоны доменной печи.

2. Научном обосновании и определении оптимального гранулометрического состава агломерата.

Достоверность защищаемых положений доказывается использованием большого объема данных о работе доменных печей, которые подтвердили теоретические посылки, используемые для построения математических моделей.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы изложены и обсуждены в материалах:

• 111-й международной интерактивной научно-практической конференции «Оценка влияния восстановительной работы газового потока на колошниковый газ», «Разработка методов оценки влияния гранулометрического состава на показатели доменной плавки (г.Екатеринбург, 2013 г.);

• Международной научно-технической конференции «Творческое наследие В.Е. Грум-Гржимайло», III Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Теплотехника и информатика в образовании, науке и производстве» (ТИМ'2014) «Разработка методов моделирования теплообмена в периферийной зоне доменной печи» (г. Екатеринбург, 2014 г.);

• IV Международной интерактивной научно-практической конференции «Влияние рудной нагрузки на степень косвенного восстановления процессов в доменной печи», «Влияние качества агломерата на показатели работы доменной печи» (г. Екатеринбург, 2015 г.);

• XV Международная научно-техническая Уральская школа-семинар металловедов-молодых учёных (Екатеринбург, 8-12 декабря 2014 г.).

Публикации. Основное содержание работы отражено в 12 печатных работах, включая 4 статьи в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, приложения и списка использованной литературы из 81 наименований. Работа изложена на 113 страницах, включая 80 рисунков, 14 таблиц.

Работа выполнена в федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина».

Автор выражает благодарность за большую помощь при проведении исследований, консультации и поддержку д. т. н. Загайнову С.А., к.т.н. Гилевой Л.Ю., аспиранту Лозович А.В., а также всем преподавателям кафедры металлургии железа и сплавов.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Общепризнанно, что в настоящее время решение большинства практических задач может быть реализовано методами математического моделирования.

Наиболее пригодными для решения задач анализа показателей работы печи оказались принципы натурно - математического моделирования. При таком подходе сердцевиной модели являются натурные (реальные объекты) в их тесном сопряжении с математическими моделями, описывающими отдельные стороны процесса. Применение этих моделей, работоспособных только в прямом информационном сопряжении с самими объектами и предусматривающих математическую обработку информации, сдерживается в большинстве случаев отсутствием алгоритмов, которые обеспечивали бы достаточно надежное решение в условиях неполной и зашумленной информации о параметрах процесса.

Одной из основных задач совершенствования технологии доменной плавки является задача снижения потерь тепла. Снижение потерь тепла приводит к снижению удельного расхода кокса и, в большинстве случаев, повышению производительности печи. Взаимосвязь потерь тепла и производительности печи рассмотрена в работах А.Д. Готлиба и И.Г. Товаровского [1,2,3].

Эта взаимосвязь описывается уравнением:

QпoT = к • ^ , (1.1)

сут

где ^орна - диаметр горна, м; Рсут - суточная производительность, т/сут; к - коэффициент, определяемый конструкцией системы охлаждения доменной печи.

Данное эмпирическое соотношение, в основном, связывает потери тепла только с потерями через кладку горна печи. В тоже время потери тепла наблюдаются через холодильники распара и заплечиков.

Известно, что в охлаждаемой зоне доменной печи на стенках образуется гарниссаж. В работе [4] приведен состав гарниссажа в выдутой на капитальный ремонт доменной печи. Толщина гарниссажа достигала 350 мм. Гарниссаж состоит из оксидов железорудных материалов.

Толщина гарниссажа определяется температурными характеристиками оксидных систем, образующих гарниссаж.

1.1. Анализ характеристик шлаковых систем

Различают первичные, промежуточные и конечные шлаки. В качестве гипотезы принято, что гарниссаж образуется из первичных шлаков. Согласно взглядам М.А. Павлова [5] первичный шлак, характеризующийся повышенным содержанием в нем монооксида железа, и обладающий вследствие этого высокой плотностью и малой вязкостью сравнительно быстро движется внутри межкусковых пространств коксовой насадки. Такой шлак образуется при низкой температуре (при малой величине он имеет низкое теплосодержание.

Повышенное содержание FeO (до 50 %) в первичных шлаках обнаружено в периферийной зоне замороженной доменной печи [6].

Данные о температурах начала твердофазного минералообразования и температуры плавления минералов приведены в литературе [7-11].

Определение температуры начала размягчения материалов целиком и полностью базируется на экспериментальных данных, которые обобщаются в виде эмпирических уравнений или диаграмм состояния систем. Общепризнанно, что основной характеристикой первичного шлака является температура, при которой возможно его вытекание из коксовой насадки. По

данным [12] эта температура соответствует для шлаков, не содержащих FeO, вязкости 2,5 Пас.

В рамках современных представлений о движении первичного шлака в коксовой насадке признается, что одним из главных факторов, определяющих процессы фильтрации, является содержание в нем FeO. Однако единой трактовки причин этого явления нет [7, 13-15]. Это объясняется исключительной сложностью протекания процессов шлакообразования в доменной печи.

В соответствии с представлениями Б.И. Китаева, С.В. Шаврина, И.Н. Захарова, А.А. Гиммельфарба, К.И. Котова и других исследователей [7, 1315] FeO первичного шлака взаимодействует с углеродом кокса. В результате такого взаимодействия наблюдается «торможение» движения шлака в коксовой насадке. Трактовки возможного характера механизма такого «торможения» рассмотрены в работе [7].

Температура начала плавления железорудных материалов может быть рассчитана по эмпирическому уравнению [16, 17].

Г,пл. = 1085,3 + 63,8 ■ ) + 2 5, 3 ■ МдО - 1 3, 8 ■ А1203 - 0,2 ■ FeО - 1 1, 6 ■ МпО , (1.2)

\Sl02 /

где CaO, SiO2, MgO, Al2O3, FeO, MnO - содержание соответствующих оксидов в железорудном материале, %.

Обработка экспериментальных данных о температуре начала плавления шлаковых систем [18, 19] позволила построить зависимость температуры плавления от содержания FeO, которая приводится на рисунке 1.1.

0 1600

О

1 1500 ©

ц

я 1400

с

| 1300

н га

© 1200

©

1100 1000

к:.

\ \.

ч

ь—■

V 1

20 40 60

Содержание FeO,%

80

♦ (8102)/(Д!203)=4,0 ■ (8Ю2)/(Д!203)=3,5

-д-(8Ю2)/(Д!203)=3,0

Рисунок 1.1 - Зависимость температуры плавления системы ЗЮ2-Л12О3-БеО от содержания БеО при различном отношении (8Ю2)/(Л12О3)

Приведенные данные показывают, что при содержании БеО в первичных шлаках более 40 % температура их плавления не превышает 1250 оС. Содержание БеО в первичных шлаках зависит от содержания железа в железорудной части шихты и от доли БеО, восстанавливаемого из шихты по реакциям прямого восстановления. Содержание БеО можно рассчитать по уравнению.

ГвО =

Гв •72 • г,, 56 *

72

(1.3)

(СаО + 8Ю2 + MgO + Л1Оъ + Гв---Г,)

56

где га - доля БеО, восстанавливаемого из расплава. Содержание БеО в первичном шлаке зависит от его доли, восстанавливаемой по реакциям прямого восстановления из жидкой фазы.

0

Зависимость приводится на рисунке 1.2. Принимая, что изменение степени прямого восстановления оксида железа из жидкой фазы равно изменению степени прямого восстановления выполнена оценка изменения температуры начала размягчения железорудных материалов. Результаты расчета показали, что снижение степени прямого восстановления на 0,01 приводит к повышению температуры начала размягчения шихты на 5 0 о С.

ф ^

го ц

3

0

1

т ^

ш

Ф С

ш

0 ф

и_

ф

^

1

го

Ф О

О

55 50 45 40 35 30 25 20

Л

1 ' Ф 1 -' » А

д -

ф

^Т ^^^ ** ■ к-— * 1 Г Ф ф &

0,1 0,12 0,14 0,16 0,18 0,2 0,22 0,24

Доля FeO

- А- Ре =57% —■— Ре=58% —•— Ре=59%

Рисунок 1.2 - Зависимость содержания БеО в первичном шлаке от доли БеО, восстанавливаемого из расплава по реакциям прямого восстановления

Таким образом, задача формирования устойчивого гарниссажа может рассматриваться как задача снижения содержания БеО путем улучшения косвенного восстановления.

1.2. Современные представления о восстановлении оксидов железа в

доменной печи

Современные представления о восстановлении оксидов железа в доменной печи сформировались на базе многочисленных экспериментальных

и теоретических исследований. При этом в литературе рассматриваются вопросы микрокинетики восстановления оксидов железа монооксидом углерода и водородом, макрокинетики восстановления куса и восстановления слоя шихтовых материалов.

Микрокинетика восстановления оксидов железа рассмотрена в работах С. Т. Ростовцева, О. А. Есина, П. Л. Гельда, Г.И. Чуфарова, Л.Ф. Богданди [21-25] и ряда других исследователей. В качестве одного из основных факторов, определяющих кинетику восстановления рассматривается структура кристаллической решётки минерала. Л. Ф. Богданди на основе экспериментальных данных показал, что восстановимость рудных материалов определяется их минералогическим составом.

т

4во

|

| 60 I

»а

I

40

а

20

Са0-2Рег03 / Д ---Х5

Гепатш (Дунгун, v -в ..О Г У ■усас-Гего /л У гсао-гего3 'агпетит 'Ларап)

п //А //// /У ^ / г / / / ✓ ■^Ортсод аннвш агло перат

-г г М7. У/ Уу / /- / /

//Л/ ^ --о* СаО-РеО - Шг

Ю

го

30

время, пин

¿0

50

60

Рисунок 1.3 - Восстановление железосодержащих минералов водородом при 9000С

С. В. Шаврин и В. И. Горбачев рассмотрели совместно восстановление кусковых материалов при различных минеральных фазах. В качестве одного из факторов, определяющих скорость восстановления куска, рассматривается

его размер. Наиболее простое решение задачи оценки влияния размеров кусков на скорость их восстановления рассмотрена в работе [26].

Для оценки влияния размеров куска на скорость восстановления предлагается использовать модель сжимающегося ядра. предполагается, что самой медленной стадией процесса восстановления является химическая, фронт которой распространяется от поверхности к центру. Принято, что кусок руды представляет собой шар с начальным радиусом г0, Плотностью р0 и массой т0. Кроме этого, допускается, что по ходу восстановления изменялось лишь количество восстановленной руды, а шарообразная форма куска руды сохранялась, и в этом куске не образовывались трещины. Обозначив массу руды, восстановленной за время Ат, через Ат, скорость восстановления ю = Ат/Ат. Реакция восстановления происходит на поверхности раздела между оксидом и металлом, являющимся продуктом реакции, и ее скорость пропорциональна величине этой поверхности Б, т.е. поверхности еще не восстановленной руды, т.е.

ю = Ат/Ат = кБ, (1.4)

где к - константа скорости, зависящая от температуры, давления и состава газа.

Схема, использованная при расчете скорости реакции, представлена на рисунке 1.4.

Рисунок 1.4 - Схема восстановления руды:

г0 - первоначальный радиус руды; г-радиус шара непрореагировавших оксидов

Обозначив через г радиус шара непрореагировавших оксидов внутри первоначального куска руды по прошествии времени Ат от момента начала реакции, рассчитывается отношение толщины слоя, образовавшегося при восстановлении продукта (г0 - г), к первоначальному радиусу куска руды г0: / = (г0 - г)/г0 или г=г0 — /г0. Отсюда величина поверхности раздела между невосстановленным оксидом и металлом.

Б = 4п(го—Г)2 . (1.5)

Массу оксидов, прореагировавших за время Ат, можно найти по разности масс первоначального куска руды и непрореагировавшей сердцевины с радиусом (г0—/г0), или

Ат = 4/3пго3ро - 4/3(го — ¡То)3ро. (1.6)

Начальная скорость восстановления куска может быть определена из уравнения

г = [к/(гоРо)]т. (1.7)

Таким образом, восстановление шарообразного куска руды растет пропорционально времени, прошедшему от начала реакции. Из этого

уравнения также видно, что скорость восстановления тем больше, чем меньше размеры кусков руды.

Средний диаметр кусков слоя (г0) можно найти из эмпирических уравнений, связывающих поверхность кусков (Б) с фракционным составом агломерата.

Площадь поверхности рассчитывалась по уравнению:

5 = У 7.8 • ^- • (1 -е)

где gi - доля 1-ой фракции, 4- диаметр куска 1-ой фракции

(1.8)

го =

5

4 •п

(1.9)

Данный подход может быть использован для оценки влияния гранулометрического состава железорудных материалов на восстановление слоя.

В рамках балансовых уравнений для оценки восстановительной работу газового потока в доменной печи можно оценивать через развитие косвенного восстановления оксидов железа, которое оценивается степенью косвенного восстановления, рассчитываемого по уравнению:

^ =

Уг • 0,01 ■ [(С0 + СО2)■ Ко + (Н2 + НгО)г,и2]

2Р8

(1.10)

где СО, СО2, Н2 и Н2О - содержание соответствующего компонента в колошниковом газе, %; г]со и -степень использования СО и Н2

(соответственно), доли ед.; Уг -выход колошникового газа в единицу времени; Р- производительность доменной печи в единицу времени; 5 -удельное (на 1т. чуг.) количество газифицированного кислорода.

В работах [27,28] для оценки влияния количества газов и степени использования их восстановительного потенциала предлагается применять уравнение

^ = • ?]со + • Vи2 ^у + Уг • (СО^^Со + Н^и2) (1П)

г 2Р8 г 2Рд '

При прочих равных условиях степень использования СО зависит от времени пребывания шихты в зоне косвенного восстановления. Общепризнано, что большинство восстановительных реакций в доменной печи не достигают равновесия. Влияние времени восстановления на отклонения концентрации продуктов реакции от равновесной выражается через скорость реакции |1|:

Нх

V = НХ = к(х - хр), (1.12)

аг

где V - скорость химической реакции моль/лсек; х - концентрация вещества, моль/л; хр - равновесная концентрация, моль/л; г - время, с; к - константа скорости реакции, с-1.

Решение данного уравнения (1.12) позволяет получить зависимость отклонения концентрации вещества относительно равновесной от времени протекания реакции:

х (1х Т

[—— = кГёг, (1.13)

Хрх - ХР 0

1п (х - хр ) = кг (1.14)

или

х - Хр = екг. (1.15)

Зависимость степени использования монооксида углерода от времени описывается уравнением:

Ico =^cop(1 " ekT), (1.16)

где i|co p - равновесная степень использования монооксида углерода, доли единиц, т - время пребывания материала в зоне восстановления, с. Или, после линеаризации получим:

ЛГШ _ A^cop ekT

rco ГСО 1 e

(kAT + AkT). (1.17)

Принимая допущение о постоянстве константы скорости реакции в области рабочих режимов уравнение (1.17) принимает вид:

_ ^т" кекг

rCO ГСОР 1 e

Лт. (1.18)

Первое слагаемое позволяет учесть влияние на степень развития реакции косвенного восстановления термодинамических факторов, второе -кинетических факторов.

Время определяется высотой зоны и может быть найдено по уравнению:

^ • и

г =--24, (1.19)

РСУТ • УНАС • (1 - Л ' У 7

Л

где Б-сечение кольца, расположенного на периферии, м ; Н - высота верхней ступени теплообмена, м; Рсут -суточная производительность, т.чуг/сут.; уНАС -

удельный объем материала , мЗ/т.чуг; / - коэффициент уминки шихты, доли единицы.

Высота зоны косвенного восстановления определяется условиями теплообмена.

Таким образом, для оценки влияния основных факторов на развитие косвенного восстановления, а, следовательно, и на содержание FeO в первичных шлаках необходимо учитывать особенности теплообмена и газодинамики в периферийной зоне доменной печи.

1.3. Математическая модель теплообмена

Научные основы современной теории теплообмена в доменной печи сформулированы в пионерских работах коллектива уральской школы металлургов, основоположником которой был Борис Иванович Китаев, сформулировавший и обосновавший гипотезу об основных закономерностях теплообмена в доменной печи [29, 30].

Теоретические и экспериментальные исследования, выполненные Ю.Г. Ярошенко, В.С. Швыдким, Ю.Н. Овчинниковым, Е.Л. Сухановым, Н.А. Спириным и другими сотрудниками Уральского политехнического института позволили сформулировать основополагающие принципы теории теплообмена в доменной печи и научный подход к моделированию ее теплового состояния.

Большой вклад в становление современной теории теплообмена внесли научные школы ВНИИМТ и Института металлургии Уральского отделения академии наук СССР [14,15, 31-38].

Исследования В. Н. Тимофеева, Б.А. Боковикова, Н.М. Бабушкина, В.И. Мойкина и других сотрудников ВНИИМТ [31, 34, 36, 39] создали научные основы моделирования взаимосвязанных процессов теплообмена и восстановления.

Сотрудниками лаборатории пирометаллургических восстановительных процессов Института металлургии УФ АН СССР С.В. Шавриным, И.Н. Захаровым, А. В. Ченцовым и др. [14, 32, 35, 37, 38] разработаны: способ

математического описания восстановления сферического куска руды многокомпонентным газом.

Теплообмен в доменной печи целесообразно рассматривать для двух относительно самостоятельных зон [29, 30]. Граница раздела этих зон проходит по изотермической поверхности, температура которой соответствует температуре заметного развития реакции СО2+С=2СО. Теплообмен в отдельных зонах характеризуется завершенностью, а тепловая работа зон относительной автономностью. Разность температур материалов и газов на границе зон составляет 20 - 50 оС.

Тепловое состояние верхней зоны печи связано с развитием реакций косвенного восстановления. Тепловое состояние нижней зоны печи определяет затраты на физический нагрев продуктов плавки, восстановление трудно восстановимых оксидов и явлений в зоне вязко - пластичного состояния.

Именно уральской школой металлургов создан комплекс математических моделей, которые могут быть использованы для оценки влияния основных факторов на развитие процессов теплообмена и восстановления в периферийной зоне доменной печи.

К приоритетным задачам моделирования процессов теплообмена в периферийной зоне доменной печи относятся: изучение влияния гранулометрического состава и рудной нагрузки на высоту верхней зоны печи; изучение влияния гранулометрического состава и рудной нагрузки на температуру газов.

Высота верхней зоны печи определяется по уравнению [13]:

И = 3 • • Скаж •Рнас • (1 - т) (120)

ау

где - скорость схода шихты, м/с; с^ - кажущаяся теплоемкость

-5

шихты, кДж/кгК; рНАС - насыпная масса шихты, кг/м ; ау - коэффициент

л

теплопередачи, Вт/м К; т - отношение теплоемкостей потоков шихты и газов.

Определяющими высоту верхней зоны печи факторами являются отношение теплоемкостей шихты и газов, кажущаяся теплоемкость и коэффициент теплопередачи.

Заключение диссертации по теме «Металлургия черных, цветных и редких металлов», Джимо Сумайла Омейза

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполненной работы достигнута поставленная цель и получены следующие результаты:

1. Разработана методика расчёта температуры газа и его восстановительной работы в периферийной зоне доменной печи. Она может быть использована для оптимизации теплового состояния шахты печи в периферийной зоне.

2. Установлено, что при снижении температуры периферийных газов наблюдается повышение тепловых нагрузок на холодильники заплечиков. Это обстоятельство позволяет использовать данную информацию для управления распределения материала по сечению доменной печи.

3. Уменьшение температуры газов в периферийной зоне печи сопровождается изменением степени косвенного восстановления (Щ). Этот факт позволяет рассматривать температуру периферии как индикатор развития косвенного восстановления.

4. Выявлены факторы, определяющие потери тепла в доменной печи и способы их оценки. Установлено, что потери тепла, найденные с использованием теплового баланса нижней зоны печи, в достаточной степени отражают такие технологические показатели как удельный расход кокса и содержание кремния в чугуне. То есть допустимо использование математической модели для учета колебаний потерь тепла.

5. Снижение потерь тепла можно добиться за счет увеличения степени косвенного восстановления, что в свою очередь, может быть достигнуто двумя путями: качеством железорудного материала и распределением рудной нагрузки по радиусу печи. Анализ производственных данных показал, что такая характеристика распределения материалов по радиусу печи, как отношение температуры периферии и колошникового газа,

действительно связана с потерями тепла. Это подтверждается относительным изменением высоты верхней зоны печи.

6. Получено уравнение для расчета изменения протяженности верхней зоны печи, учитывающее изменение количества и скорости газов, изменение качества ЖРМ, а также теплоемкость потока шихтовых материалов.

7. Изменение рудной нагрузки является одним из способов управления тепловым состоянием периферийной области доменной печи. Доказано что влияние рудной нагрузки при различном гранулометрическом составе ЖРМ проявляется по-разному.

8. Разработана математическая модель, позволяющая оценить влияние гранулометрического состава агломерата на время восстановления куска по реакциям косвенного восстановления.

9. Научно обоснован, разработан и внедрен комплекс рекомендаций по совершенствованию оценки влияния рудной нагрузки на развитие теплообмена и восстановления в периферийной зоне доменной печи установлено, что наилучшие условия восстановления оксидов железа достигаются при содержании фракции «5-25» мм более 75%. При этом доля фракции «-5» и «+45» мм не должна превышать 6%.

10. В результате теоретического анализа установлено, что эффективное управление восстановительной работой газов в периферийной зоне печи может быть реализовано при высоком качестве ЖРМ (когда порозность слоя агломерата и порозность слоя кокса близки).

11. Выполнены расчеты, позволяющие определить совместное изменение степени использования СО и температуры периферии при изменении гранулометрического состава и рудной нагрузки. В результате которых, можно сказать что, при изменении рудной нагрузки происходит однонаправленное изменение температуры периферии и степени использования СО, а при изменении гранулометрического состава

наблюдается разнонаправленное изменение. При низких базовых значениях рудной нагрузки (<4) диапазон изменения параметров больше. На доменных печах, где средняя рудная нагрузки достигает 5 и более, а температура периферии выше 200 оС, диапазон изменения температуры периферии незначительный.

12. Результаты диссертационного исследования могут использоваться для совершенствования выплавки чугуна в доменных печах и служить основой при принятии реконструктивных и проектных решений.

Перспективы дальнейшей разработки темы. Разработанные в диссертации основные положения и методики расчета рекомендуется в перспективе использовать для проектирования технологии по снижению потерь тепла при выплавке чугуна в доменных печах.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Джимо Сумайла Омейза, 2016 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Готлиб А.Д. Доменный процесс.- М.: Металлургия 1966. -503 с.

2. Товаровский И.Г., Лялюк В.П., Эволюция доменной плавки, -Днепропетровск: Пороги, 2001.-424 с.,

3. Товаровский И.Г., Бондаренко В.И. Интенсивность хода и удельный расход кокса в современных и перспективных условиях доменной плавки.// Сталь.-1978. №3 С. 203-206.

4. Шеремет В.А., Листопадов В.С., Лялюк В.П., Оторвин П.И., Опыт эксплуатации, выдувки и пуска после реконструкции доменной печи

-5

объемом 2700 м . Доменное производство XXI век, труды международной конференции доменщиков. - М. : Издательский дом «Кодекс», 2010 г с.

5. Павлов М.А. Металлургия чугуна. т.2. Доменный процесс. М.: Металлургиздат, 1945. 491 с.

6. Вегман Е.Ф., Краткий справочник доменщика. - М.: Металлургия, 1981. - 240 с.

7. Френкель Я.И. Тепловое движение в твердых и жидких телах и теория плавления, //М.:ВСНИТО-1936. 235 с.

8. Бардин И. П., Цилев Л.М., Пуднева А.В., Чернышев А.М. / Вязкость и минералогичческий состав доменных шлаков.// М:. Из-во АН.СССР 1951 . 214 с.

9. Андронов В.Н., Чикин Б.В., Нестеренко С.В./Жидкие доменные шлаки/ М.:.Металлургия 1977 127 с.

10. Бондаренко П. К. Выбор оптимальных доменных шлаков на основе комплексного исследования их физико-химических свойств. Автореф. дисс. канд. техн. наук. Днепропетровск, 1982.

11. Изучение скорости движения материалов в верхней части доменной печи -Паршаков Б.М.,Бабушкин Н.М., Тимофеев В.Н. //Теплотехника доменного и агломерационного процессов: Об. науч,тр,ВНИИМТ.- Москва. -1966. - С. 17-19.

12. Доменное производство: Справочное издание. В 2-х т. Т. 1. Подготовка руд и доменный процесс/ Под редакцией Вегмана Е.Ф. - М.: Металлургия, 1989. 486 с.

13. Китаев Б.И., Ярошенко Ю.Г., Лазарев Б.Д. Теплообмен в доменной печи. М.: Металлургия, 1966. 355 с.

14. Восстановление, теплообмен и гидродинамика в доменном процессе: Труды Института металлургии УНЦ АН СССР./Под ред. С. В. Шаврина. Сверл ловск: РИСО УНЦ АН СССР, 1972, ч. II. 140 с.

15. Восстановление, теплообмен и гидродинамика в доменном процессе. ч.1. Труды АН СССР. Урал.фил.Ин-т металлургии. Вып.24. Свердловск, 1970. 130 с.

16. Кацман В.Х. Емельянов В.А. Никифоров В.Н. Исследование влияния процессов восстановления и науглероживания на температурный интервал плавления железорудных материалов // Металлургическая и горнорудная промышленность.- 1983.- №1. С. 3-4.

17. Кацман В. Х., Шатоха В.И., Емельянов В.А. Ментодика оценки высокотемпературных свойств железорудных материалов. // Известия вузов черная металлургия. 1985. №11, С. 131-132.

18. Жило Н.Л. Формирование и свойства доменных шлаков. - М.: Металлургия, 1974. - 120 с.

19. Свойства жидких доменных шлаков / В.Г. Воскобойников, Н.Е. Дунаев, А.Г. Михалевич и др. - М.: Металлургия, 1975. - 184 с.

20. Шаврин С.В. Закономерности воссатновления оксидов железа и моделирование металлургических процессов // Физическая химия и технология в металлургии. - 1996. - С. 239 - 247.

21. Ростовцев С. Т. Некоторые вопросы кинетики и механизма восстановления окислов железа в железорудных материалах газами // Физико-химические основы металлургических процессов. -М.: Наука, 1969. С. 5-12

22. Гельд П. В., Есин О. А. Процессы высокотемпературного восстановления. -Свердловск: Металлургиздат, 1957. 646 с.

23. Чуфаров Г. И., Татиевская Е. П. Адсорбционно-каталитическая теория восстановления окислов металлов // Проблемы металлургии. М.: Изд-во АН СССР, 1953.-С. 15-32

24. Чуфаров Г. И. Татиевская Е. П. Механизм и кинетика восстановления окислов металлов // Физико-химические основы доменного процесса и современная практика производства чугуна. Свердловск: Металлургия, 1956. - С. 21-64

25. Богданди Л., Энгель Г.Ю. Восстановление железных руд . — Пер. с немецкого. — М.: Металлургия, 1971. — 520 с.

26. Шварцман А. А., Жуховицуий А. А. Начала физической химии для металлургов. - М. : Металлургия, 1991. - 208 с.

27. Информационные системы в металлургии. Н.А.Спирин, Ю.В.Ипатов, В.И.Лобанов, В.А.Краснобаев, В.В.Лавров, В.Ю. Рыболовлев, В.С.Швыдукий, С.А.Загайнов, О.П.Онорин. Под ред Н.А.Спирина. Екатеринбург: Уральский государственный технический университет, 2001. 617 с.

28. Компьтерные методы моделирования доменного процесса / Под ред. Н.А. Спирина. - Екатеринбург : ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2005. 301 с.

29. Китаев Б.И. Теплообмен в шахтных печах. Свердловск-Москва: Металлургиздат, 1945, 152 с.

30. Китаев Б.И. Схема теплообмена в доменной печи и подготовка руд к плавке // Сталь. 1944. № 7-8, с 5-8.

31. Тимофеев В.Н., Боковиков Б.А., Бабушкин Н.М. Математическое описание явлений тепло- и массопереноса в доменной печи // Теплотехникак доменного и агломерационного процессов : сб. научн трудов /ВНИИМТ, № 14. - М.: Металлургия.- 1966. - (ВНИИМТ. Сб. №9).-С. 5-18.

32. К расчету температурных полей в доменных печах / А.В. Ченцов, С.В. Шаврин, Б.М. Герман и др. // Восстановление, теплообмен и газодинамика в доменном процессе: Труды института металлургии УФАН СССР. - Свердловск. - 1970. -Вып. 24.-4.1.-С. 48-68.

33. Мойкин В. М., Бабушкин Н. М., Боковиков Б. А./ Анализ работы доменной печи на комбинированном дутье с применением метода математического моделирования. //Сталь, 1984, № 4. С. 9-14.

34. Определение динамических характеристик доменного процесса с помощью математической модели / В.И. Мойкин, Б.А. Боковиков, Н.М. Бабушкин и др. // Повышение производительности и экономичности работы тепловых металлургических агрегатов. (Тематический отраслевой сборник МЧМ СССР). - М.: Металлургия, 1982. - с. 42-46.

35. Шаврин С.В., Ченцов А.В. К расчету высоты ступеней теплообмена в доменных печах // Изв.вузов. Чер. металлургия. 1960. № 11. с. 27-31.

36. Бабушкин Н.М., Боковиков Б.А., Мойкин В.И. Анализ тепловых процессов доменной плавки на основе математической модели // Металлургическая теплотехника: Темат. отрасл. сб. / ВНИИМТ, № 8. М.: Металлургия, 1979. с.39-46.

37. Шаврин С.В., Ченцов А.В., Ярунина Р.В. Использование кинетических характеристик железорудного сырья для прогнозирования показателей доменной плавки с применением электронно-вычислительных машин // Подготовка сырья и теплотехника - резервы металлургии: Тр. Ин-та металлургии УФАН СССР, Вып.13. Свердловск, 1966. С.69-76.

38. Прогнозирование показателей плавки с помощью кинетико-математической модели доменного процесса / Ченцов А.В. Абрамов С.Д. Алексеев Л.Ф. и др. // Восстановление, теплообмен и гидродинамика в доменном процессе: Тр. Ин-та металлургии УНЦ АН СССР, Вып.26, ч.П. Свердловск: Изд-во УНЦ АН СССР, 1972. с. 4-24.

39. Мойкин В.И. Разработка и использование математической модели для анализа процессов тепло-массообмена в доменной печи. Дис. ... канд.техн.наук. Свердловск, 1976. 203 с.

40. Щедрин В.М. Теория доменной плавки под давлением // М .: Металлургиздат 1962.-454 с.

41. Грузинов В.К., Фиалков B.C. О характере связи между количеством и давлением дутья, подаваемого в доменную печь // В сб. «Доменный процесс по новейшим исследованиям» / М.: Металлургиздат, 1963. - С. 103-111.

42. Манчинский В.Г. Влияние давления газа на потерю напора в слое материалов доменной шихты // Тр. ЛПИ. Вып. 212. - Л.: 1960. - С. 92-107.

43. Кинни С.П. Движение шихты и газов в доменной печи // Домез. -1930,- № 4- с. 51-76 № 5. - С. 89-106, № б. - С.92-106, № 7. - С.83-103.

44. Ergun S. Fluid flou through packed columns // Chemical Ingineenning Progress/ Vol48. - № 2. - February, 1952.

45. Богданди Л.А., Энгель Г.Ю. Восстановление железных руд - М.: Металлургия, 1971.-520 с.

46. Blast Furnace Aerodynamics / Ed.by N. Standish // Wollongong. -1975 -220р.

47. Газодинамика и теплотехника доменного процесса/ Р. Ешар, Р.Бредегефт, М. Маврудис и др. // Черные металлы. - 1971. - № 12. - С. 1-40.

48. Амататсу М., Чон М., Иошизава А. Перепад давления газа в подвижном слое Экспресс-информация. Черная металлургия. - 1972. -№ 3. -С. 1-12.

49. Фукутаке Т., Окабе К. Влияние давления колошникового газа на перепад давления в шахте доменной печи // Экспресс-информация. Черная металлургия 1972 г. -№16.-С. 6-19.

50. Швыдкий , В.С., Гордое Я.М., Ярошенко Ю.Г. /О газораспределении в шахтных печах при нелинейном законе сопротивления// Изв. Вузов. Черная металлургия, 1974. №8, с. 137-142.

51. Русаков П. Г. , Русанов И.Ф., Дорофеев В.Н. некоторые особенности движения газов через слой шихтовых материалов // Изв. Вузов. Черная металлургия. 1983 № 111. С.27-32.

52. Гордон Я.М., Максимов Е.В., Швыдкий B.C. Механика движения материалов и газов в шахтных печах // Алма-Ата: Наука, 1989. - 144 с.

53. Колесанов Ф.Ф. Движение газов через слой кусковых материалов // М.: Металлургиздат, 1956. - 88 с.

54. Товаровский И.Г., Лялюк В.П., Эволюция доменной плавки, -Днепропетровск: Пороги, 2001.-424 с.,

55. Тарасов В. П. Газодинамика доменного процесса.—М.: Металлургия, 1982. — 224 с.

56. Гиммельфарб А.А., Котов К.И. Процессы восстановления и шлакообразования в доменных печах. - М.: Металлургия, 1982. - 328 с.

57. Стефанович М.А. Анализ хода доменного процесса. Свердловск: Металлургиздат, 1963. 286 с.

58. Рамм А.Н. Определение технологических показателей доменной плавки (Метод расчета и справочные данные). Л.: Изд-во ЛПИ, 1971. 100 с.

59. Юрьев Б.Н., Юрьева Л.В. Методы расчета доменной плавки. М.: Металлургия, 1961. 304 с.

60. Туманов А.И., Доброскок В.А., Воложин А.В. Математическая модель газодинамики в зоне плавления доменной печи// Известия вузов. Черная металлургия. 1987 №3 с.146-147.

61. Повышение качества чугуна за счет стабилизации состава шлака /Довгалюк Б.П., Щербицкий Б.В., Ярошенко Н.М. и др. // Металлургическая и горнорудная промышленность. 1978. № 3, С. 3-4.

62. Балон И. Д., Буклан И. 3., Муравьев В. Н. и др. Фазовые превращения материалов при доменной плавке. М.: Металлургия, 1984. — 152 с

63. Исследование порозности многокомпонентных шихт /Ковшов В.Н., Палаганов А.И..,Остяков В.Г. и др.//Металлургия и коксохи-мия, 1977.-вып.53.-С.34-37.

64. Загайнов С.А. Совершенствование технологии доменной плавки на основе анализа и прогноза ее режимов методами моделирования : дис. д-ра техн. наук. - Екатеринбург : ГОУ ВПО УГТУ-УПИ 2004.— 277 с.

65. Филатов, С.В., Загайнов С.А., Гилева Л.Ю., Пыхтеева К.Б., Разработка методов анализа процессов восстановления оксидов железа. //Известия вузов черная металлургия, №10, 2015 г. С.658-661

66. Jimoh S.O. Energy efficient technology to produce hot metal from titania-magnetite ore / S. Zagainov, V. Fillipov, S. Filatov, Y. Gordon, L. Gileva, A. Lozovich // AISTech - Iron and Steel Technology Conference Proceedings. -2016. - Vol. 1. - P. 559-566.

67. Jimoh S.O. Controlling the peripheral temperature of the blast furnace / S.A. Zagainov, S.V. Filatov, L.Y. Gileva, A.V. Lozovich, S.O. Jimoh // Steel in Translation. - 2016. - Vol. 46, Issue 6. - P. 378-383.

68. Jimoh S.O. Assessment of Granulometric Composition of Ore Materials and Ore Load on Developmental Regenerative Processes in the Peripheral Zone of the Blast Furnace / S.O. Jimoh, S.A. Zagainov, A.V. Lozovich, L.U. Gileva // International Journal of Metallurgical & Materials Science and Engineering. - 2015. - Vol. 5, Issue 2. - P. 7-16.

69. Джимо С.О. Исследование возможности управления тепловой работой периферийной зоны доменной печи / С.О. Джимо, А.В. Лозович, С.А. Загайнов // Известия вузов. Чёрная металлургия. - 2014. - № 7. - С. 66-67.

70. Jimoh S.O. Оценка влияния восстановительной работы газового потока на температуру колошникового газа / А.В. Лозович, S.O. Jimoh, С.А. Загайнов // Инновации в материаловедении и металлургии. Материалы III Международной интерактивной научно-практической конференции. -Екатеринбург. - 2013. - С. 4-6.

71. Джимо С.О. Влияние качества агломерата на показатели доменной плавки / А.В. Лозович, С.О. Джимо, С.А. Загайнов // XV Международная научно-техническая уральская школа-семинар металловедов-молодых учёных: сборник научных трудов. - Екатеринбург. -2014. - С. 7-9.

72. Джимо С.О. Разработка методов моделирования теплообмена в периферийной зоне доменной печи / А.В. Лозович, С.О. Джимо // Творческое наследие В.Е. Грум-Гржимайло: История, современное состояние, будущее: сборник докладов международной научно-практической конференции. Часть 2. - Екатеринбург. - 2014. - С. 233-237.

73. Джимо С.О. Разработка методов оценки влияния гранулометрического состава на показатели доменной плавки / А.В. Лозович, С.О. Джимо // Инновации в материаловедении и металлургии. Материалы III Международной интерактивной научно-практической конференции. -Екатеринбург. - 2013. - С. 7-9.

74. Джимо С.О. Влияние качества агломерата на показатели работы доменной плавки / А.В. Лозович, С.О. Джимо, С.А. Загайнов // Инновации в материаловедении и металлургии. Материалы IV Международной интерактивной научно-практической конференции. - Екатеринбург. - 2015. -С. 21-24.

75. Джимо С.О. Влияние рудной нагрузки на степень косвенного восстановления в доменной печи / А.В. Лозович, С.О. Джимо, С.А. Загайнов // Инновации в материаловедении и металлургии. Материалы IV Международной интерактивной научно-практической конференции. -Екатеринбург. - 2015. - С. 24-28.

76. Jimoh S.O. Analysis of the characteristics of the blast Furnace peripheral zone / S.A. Zagaynov, S.O. Jimoh, C.B. Pyhteeva // International Journal of Scientific & technology research. - 2013. - Vol. 2, Issue 9. - P. 125128.

77. Джимо С.О. Оценка возможности управления тепловым состоянием верха доменной печи в периферийной области / С.А. Загайнов, С.В. Филатов, Л.Ю. Гилева, А.В. Лозович, С.О. Джимо // Известия высших учебных заведений. Чёрная металлургия. - 2016. - № 6, Т. 59. - С. 371-377.

78. Джимо С. О., Determination of optimum Lump size of sinter Obtained from Itakpe iron ore Concentrate as charge material for blast Furnace / S.O. Jimoh, M. E. Ibrahim, B.S.O. Ighalo // Nigerian Journal of Engineering Faculty of Engineering Ahmadu Bello University. - 2008. - Vol. 14, № 2. - P. 5-7.

79. Fafiolu, Isaih O. (2004), "Industrial Raw Material: Challenges and prospect" Proceedings of the Nigerian Materials Society's congress 125 p.

80. Sehgal, L. K. (2006), "Roadmap for Development in Nigerian Steel Sector". Distinguished lecture organized by the Metallurgical, Mining and Materials Division of the Nigerian Society of Engineers held, 32p.

81. Tymnohud N. N and Tarasov, V.P. (1984), "Determinations of Thermal properties of Iron Ore". Laboratory Guide of Mariupol Metallurgical Institute, Ukraine, 18p.