автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Исследование закономерности газодинамики зернистого слоя с целью улучшения технико-экономических показателей доменной плавки

МАРИУПОЛЬСКИЙ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

ТОМАШ Александр Анатольевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ГАЗОДИНАМИКИ ЗЕРНИСТОГО СЛОЯ С ЦЕЛЬЮ УЛУЧШЕНИЯ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ

Специальность 05.16.02 — «Металлургия черных металлов»

Автор еферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МАРИУПОЛЬ 1992

Работа выполнена в Мариупольском металлургическом институте.

Научный руководитель - профессор, доктор технических наук ТАРАСОВ В.П.

Официальные оппоненты -профессор, доктор технических наук ТОВАРОВСКШ И. Г.

кандидат технических наук ХЩЕВ Е.И.

Ведущее предориятие - Мариупольский металлургический комбинат им.Ильича.

Защита диссертации состоится У7^" 1992 г.

в /У— часов на заседании специализированного совета (шифр. K-068.03.0I) в Мариупольском металлургическом институте по адресу: 341000, г.Мариуполь, пер. Республики, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института. Автореферат разослан "22" ¿ре/^иг ^ 1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета, доктор техн.наук

Ревтов Н.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Важнейшей задачей, стоящей в настоящее время перед доменным производством, является снижение удельного расхода кокса. Затраты на топливо доменной плавки составляют около 50 % себестоимости чугуна. Дефицитность коксующихся углей и тяжелые условия их добычи определяют тенденцию к постоянному возрастанию стоимости кокса. В таких условиях уменьшение расхода топлива на выплавку чугуна является основным средством снижения себестоимости черных металлов.

Снижению расхода кокса способствует рациональное газораспределение в шахте доменной печи. При этом достигается более полное использование восстановительной энергии доменного газа и снижается расход тепла на процессы восстановления оксидов железа углеродом кокса.

Задача рационального газораспределения в шахте доменной печи в свою очередь требует исследований закономерностей движения газа через слой доменной шихты. Использование закономерностей газодинамики зернистого слоя позволяет эффективно управлять распределением газовых потоков по сечению доменной печи.

В связи с этим актуальными являются работы, направленные на изучение процессов фильтрации газов через зернистый материал применительно к условиям доменной плавки и разработку новых способов распределения шихты и газов в доменной печи.

Цель работы: исследование закономерностей движения газа через слой доменной шихты и разработка рациональных способов загрузки доменной печи, обеспечивающих снижение расхода кокса за счет улучшения использования восстановительной и тепловой энергии газа. ,

Научная новизна. Предложены аналитические зависимости пороз-ности доменной шихты от содержания мелкой фракгчи при отношении . диаметров мелких и крупных частиц , менее 0,07. Впервые установлено, что причиной экстремального изменения коэффициента сопротивления при различном содержании мелочи является неравномерное ей распределение по высоте зернистого слоя. Предложены аналитические зависимости коэффициента газодинамического сопротивления от доли мелочи при неравномерном ее распределении по высоте слоя дая лабораторных условий и условий ,,оменной плавки. Показано, что предельные значения скорости фильтрации, при которых допусти?, расчет перепада

давления газа в слое по уравнению Дарси-Вейсбаха, соответствуют переходу мелких частиц в пустотах между крупными кусками во взвешенное состояние. Впервые исследован процесс противотока двух зернистых слоев,различающихся крупностью частиц, в восходящем потоке газов применительно к условиям доменной печи.

Проанализировано распределение статического давления по высоте зернистого слоя с учетом влияния давления на свойства газа и установлено, что распределение статического давления по высоте шахты доменной печи носит нелинейный характер. Разработана методика расчета верхнего перепада давления газа в доменной печи. Исследовано влияние режима работы большого конуса на время ссыпания шихты в - печь, величину динамического удара шихты и на радиальное распределение рудных нагрузок на колошнике. Показано, что приостановка большого конуса в промежуточном положении в большей степени снижает динамический удар, чем его опускание с уменьшенной скоростью. Впервые установлено, что режим работы малого конуса оказывает существенное влияние на радиальное распределение шихты.

Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработаны новые способы загрузки, позволяющие ликвидировать канальный ход в доменной печи, изменять радиальное распределение рудных нагрузок на колошнике, частично удалять мелочь из агломерата, загружаемого в печь, и снижать динамический удар шихты за счет различного хода большого конуса при различных системах загрузки, регулировать количество кокса, загружаемого непосредственно в центр колошника, и смешивать компоненты доменной шихты без усложнения процесса загрузки за счет изменения режима работы малого конуса. Новые способы загрузки внедрены ш. металлургических комбинатах "А.зовсталь" и "Запорожсталь". При этом расход кокса снизился на 3 кг/т чугуна. Экономическ-й эффект от использования нового способа загрузки на металлургическом комбинате "Азовсталь" составил 60 тыс.руб.

ма защиту выносятся: установленные зависимости порозности доменной пихты от содержания мелкой фракции при отношении диаметров мелких и крупных частиц менее 0,07 установленные зависимости коэффициента газодинамического сопротивления от доли мелочи при неравномерном ее распределении по высоте слоя для лабораторных условий и условий доменной плавки ; комплекс теоретических зависимостей для расчета перепада давления газа в слое доменной шихты; установленные закономерности процесса противотока двух зернистых слоев, различающихся крупностью частиц, в восходящем потоке газов ; закономерности

»определения статического давления газа по высоте зернистого слоя 1 шахты доменной печи ; методика расчета величины верхнего перепада давления газа в доменной печи; способ загрузки доменной печи, предусматривающий различный ход большого конуса при различных системах загрузки ; способ регулирования количества кокса, подаваемого непосредственно в центр колошника, за счет изменения хода малого конуса; способ загрузки доменной печи, обеспечивающий частичное перемешивание компонентов шихты за счет изменения хода малого .конуса.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертации доложены и обсуждены на международной научной конференции "Моделирование восстановительных процессов и их применение в металлургии" (г.Устронь, ПНР, 1991 г.), всесоюзной научно-технической конференции "Теплотехническое обеспечение технологических процессов металлургии" (г.Екатеринобург, 1990 г.) и республиканской научно-технической конференции "Проблемы автоматизированного управления доменным процессом" (г.Киев, 1937 г.).

Публикации. .Материалы диссертации опубликоваш в 5 научных статьях и тезисах докладов, получено 2 авторских свидетельства СССР на изобретения.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 3 глав, общих выводов и предложений; изложена на 167 страницах машинописного тенета и включает 53 рисунка, 4 таблицы, список литературы из 112 наименований.

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

Необходимым условием высокопроизводительной и экономичной ра- ' боты доменной печи является рациональное распр деление газовых потоков в шахте. Этим обусловлено большое внимание исследователей к вопросам движения газа через зернистый слой и к разработке способов загрузки, открывающих новые возможности в управлении газораспределением в доменной печи. Работы С.С.Фурнаса, Т.Л.Дкозефа, С.Эргу-на, М.А.Стефановича, А.Н.Рамма и др. авторов положили основу математического описания закономерностей движения газа через слой.доменной шихты и управления газодинамическим режимом доменной плавки.

Однако несмотря на многочисленные исследовшдаг, касающиеся

- б -

и тих вопросов, че вое проблемы газодинамики зернистого слоя решены. Воз!1икают сложности при расчетном определении газодинамических характеристик полифракционного слоя доменной шихты. Попытки расчета давления на различных горизонтах доменной печи не имеют успеха. Пру расчетах не учитывается лослойность укладки шихты в шахте доменной печи. Недостаточное внимание уделяется процессам, протекающим в рабочем пространстве печи, связанным с потерей стабильности зернистого слоя.

Среди способов подачи шихты в доменную печь недостаточное внимание уделяется порядку загрузки, предусматривающему изменение режима работы большого конуса. Исследования отечественных и зарубежных специалистов доказывают целесообразность уменьшения скорости .опускания и хода большого конуса с целью уменьшения динамического удара шихты и перераспределения материалов по радиусу печи. Шесте с тем,влияние хода большого конуса на радиальное распределение шихты не выявлено окончательно. Отсутствует удобное для расчета уравнение зависимости времени ссыпания шихты в печь от хода и скорости опускания большого конуса. Не известны величины его хода, обеспечивающие минимальный динамический удар шихты при различных системах загрузки, что снижает эффективность способа.

В соответствии с современными представлениями рациональное радиальное распределение шихты достигается при подаче части кокса непосредственно в центр колошника. При использовании для этой цели загрузочного устройства с осевым технологическим отверстием в большом конусе возникает проблема регулирования количества кокса, загружаемого в центр печи. Благоприятно сказывается на работе доменной печи смешивание компонентов шихты при загрузг°. Однако сложности, возникающие при подаче кокса и агломерата в один скип, препятствуют распгютранению способов загрузки, предусматривающих смешивание материалов. Решению этих проблем может способствовать изменение режима работы малого конуса. Однако исследований влияния его работы на расположение шихты на колошнике не проводилось.

Исхода из изложенного, с учетом поставленной цели, основными задачами настоящей работы являются: исследование и, анализ зависимости газопроницаемости бинарного слоя и его газодинамических характеристик от доли мелкой фракции ; анализ влияния неравномерности распределения мелочи по высоте на газопроницаемость доменной шихта ; исследование процессов, протекающих в доменной печи, связанных с потерей стационарности зернистого слоя ; анализ распреде- -

летя статического давления по высоте шахты доменной печи ; разработка способа загрузки доменной печи, обеспечивающего снижение динамического удара шихты за счет различного хода большого конуса при различных системах загрузки ; разработка способов регулирования массы кокса, подаваемого в осевую зону доменных печей, оборудованных конусным загрузочным устройством с осевым технологическим отверстием в большом конусе, и смешивания компонентов доменной шихты за счет изменения режима работы малого конуса. •

АНАЛИЗ ЗАВИСИМОСТИ ГАЗОПРОНИЦАЕМОСТИ ЗЕРНИСТОГО

СЛОЯ ОТ ДОЛИ МЕЖОЙ ФРАНЦИИ

Расчет перепада давления газа в слое предполагает предварительное определение газодинамических характеристик шихты: порозности, среднегармонического диаметра частиц и коэффициента сопротивления.

Важнейшей характеристикой зернистого слоя, в значительной степени определяющей его газопроницаемость, является порозность. Исследования ряда авторов показали, что порозность-доменной шихты зависит главным образом от количества мелочи в слое и мало меняется при изменении соотношения содержания крупных и средних фракций. В соответствии с этим предложена модель зернистого слоя, содержащего частицы только двух размеров. Причем отношение диаметров мелких и крупных частиц стремится к 0'. Анализ разработанной модели позволил получить систему уравнений, описывающих зависимость порозности от доли мелочи

{ ек-т(!-«„) при е = 1 г (I)

I т при т > £ к

где £к и 6М - порозность крупной и мелкой фракций.

■ Полученные уравнения применимы при отноше.^и диаметров мелких и крупных частиц менее 0,07 и дополняют известные формулы, что позволяет определять порозность доменной шихты при либых соотношениях размеров мелочи и крупных кусков.

Исследования влияния промежуточных фракций на среднегармони-ческий диаметр частич шихты показали, что при расчете можно представлять слой содержал?«- только две фракции. Решающее влияние на рассчитываемую величину оказывает содержание мелочи. В качестве второй фракции для расчета следует выбирать крупные частицы, если

их больше, чем »астиц среднего размера, и среднюю фракцию, если ее содержание превышает содержание крупных частиц.

Экспериментальные исследования показали, что зависимость коэф фициента сопротивления от доли мелочи в зернистом материале имеет экстремальный характер (см.рис.). Такое изменение коэффициента сопротивления может быть обусловлено неравномерным распределением мелкой фракции по высоте слоя. Участки с повышенным содержанием мелочи оказывают наибольшее сопротивление газовому потоку, что приводит к снижению газопроницаемости всего слоя в целом и соответственно к повышению значения коэффициента сопротивления. Для анализа влияния неравномерности распределения мелочи по высоте на коэффициент сопротивления предложена следующая модель зернистого слоя. Сло£ •делится на две зоны. В нижней зоне мелочь заполняет все пространство между крупными кусками, не раздвигая их, в верхней - содержание мелких частиц меньше, чем в среднем в объеме слоя. Количество мелочи в верхней зоне и соотношение высот обоих зон определяется коэффициентом неравномерности распределения мелочи по высоте слоя к .

О 1,1 0.1 о.» е.* о.г г.» ¡(7 Доля мспкои фракции

Зависимости от доли мелочи: 1,2- порозности ; 3, 4 - коэ(|фициента сопротивления ; 5, б - перепада давления.

I, 3, 5 - опытные зависимости, 2, 4, б - расчетные зависимости

В соответствии с такой моделью зернистого слоя коэффициент сопротивления при содержании мелочи т ^ 0,4 можно рассчитать по уравнению

и- 160 кт(1-0*/с1.* ¿о * (т^-ктХьО/^.е! + «е гп0(1-£)Ус|эа£3

+ -М- кт(1-в.)мЛ1,ме* + (т.,-кгтОа-е, (2)

Ие01 гп0(Ь£)''/с1эи£5

где Ре - критерий Рейнсяьдса, рассчитываемый по усредненным газодинамическим характеристикам слоя ; £,с1э - порозность и среднегармонический диаметр'частиц слоя; т1>е1.с11- содержание мелочи, порозность и среднегармонический диаметр частиц в зоне с меньшим содержанием мелочи

т _ (1-Мтт0

т,, - Кт

(3)

минимальная порозность материала, доля мелочи и среднегармонический диаметр частиц, соответствующие ей.

При содержании мелкой фракции т 0,4 коэффициент сопро-^ тивления может быть рассчитан по известной формуле г/= 1бО/йе + 5,1/|?е'

Из-за послойности укладки компонентов шихты в доменной печи также имеется неравномерность распределения мелочи по высоте.Большее количество мелочи концентрируется в слое агломерата, меньшее -в слое кокса. Анализ движения газа через участок столба шихты, содержащий слой кокса и слой агломерата,- приводит к уравнению для расчета коэффициента сопротивления, материалов в шахте доменной печи

II »5. и-е°)е/аагеа*а-£к)У(1,ге,3 ,1,55 (1-еа)>'д£>(1-£к)'/с1.и&к3 4'Не' и-е)7с!5£5 • Не*" Ц-еУ-'/Ч^е

(4)

В этом уравнении переменные с индексом "а" характеризуют агломерат, с индексом "к" - кокс, без индекса -'всю шихту в целом. . Содержание мелочи в слоях кокса тк и агломерата та определяется общим содержание]- мелочи в шихте и коэффициентом неравномерности . /. , \ -т к = т (1-к) та = тОЧ

В соответствии с уравнением (4) неравномерность распределения мелочи по высоте слоя шихты в доменной печи приводит к снижению ее газопроницаемости, что подтверждает целесообразность смешивания агломерата и кокса при загрузке,так как при смешивании компонентов доменной шихты мелочь по высоте распределяется более равномерно.

Полученные уравнения вместе с формулой определения перепада давления газа в слое составляют комплекс зависимостей для расчета газопроницаемости зернистого материала. При этом следует учитывать, что применение уравнения Дарси-Вейсбаха для расчета перепада давления в зернистом слое возможно, если фактическая скорость газа в пустотах между крупными кусками не превышает критического значения, при котором мелкие частицы начинают кипеть. При этом весь слой в ■целом, за исключением мелочи, остается стабильным. Потери напора газа в слое после перехода во взвешенное состояние мелких частиц в пустотах мевду крупным кусками значительно ниже значения, определенного по формуле Дарси-Вейсбаха. На рисунке сравниваются расчетные и экспериментальные зависимости порозности, коэффициента сопротивления и потерь напора газа в слое от доли мелочи. В целом предложенные уравнения верно отражают характер изменения исследуемых величин. При содержании мелочи менее 0,4, характерном для доменной шихты .расчетные копытные значения перепада давления в слое достаточно близки. Значительные расхождения наблюдаются только при содержании мелочи от 0,4 до 0,5 соответствующем заполнению мелкими частицами пустот между крупными кусками. По-видимому, расхождение данных обусловлено принятыми при выводе формул допущениями.

ПРОЦЕСС ПРОТИВОТОКА ДВУХ ЗЕРНИСТЫХ СЛОЕВ В ВОСХОДЯЩЕМ ПОТОКЕ ГАЗОВ

Поведение граничащих зернистых слоев, различающихся крупностью ' частиц, в восходящем потоке газов исследовалось с помощью шаров диаметром I мм и 20 мм в газодинамическом цилиндре. При превышении скорости газового потока значения, обеспечивающего кипение мелоч: в щ тотах между крупными шарами, наблюдалось встречное движение шаров разного диаметра. Мелкие шары, составляющие нижний слой, проникали г пустоты ыевду крупными и поднимались вверх. Шары диаметром 20 мм опускались под действием силы тяжести, вытесняя вверх мелкие частицы. Процесс заканчивался, когда слои менялись местами, мелкие

частида располагались вверху, а крупные формировали нижний слой. Противоток протекал как при переходе слоя мелких шаров во взвешенное состояние, так и при сохранении стабильности обоих слоев. В последнем случае кипение мелочи наблюдалось только в пустотах между крупными шарами. После выхода мелких шаров из каналов слоя крупной фракции их кипение прекращалось. В этом случае механизм процесса противотока следующий. На границе слоев у входа в каналы между большими шарами возникают условия для кипения небольшого количества мелких шаров. При этом скорости газа в сосуде недостаточны для кипения мелочи, но в пустотах между крупными кусками фактическая скорость превосходит критическое значение. Крупные шары вытесняют кипящую мелочь и опускаются на небольшую высоту. Опускание больших шаров приводит к переходу во взвешенное состояние нового объема мелочи и к дальнейшему опусканию слоя крупной фракции.

В ходе процесса наблюдалось увеличение сопротивления столба зернистых материалов движении газового потока из-за снижения пороз-ности за счет проникновения мелочи в пустоты между крупными частицами. Явление, подобное описанному, может быть одним из факторов, обуславливающих ликвидацию канального хода окатышами. Способ устранения расстройства хода доменной печи предусматривает временный переход к загрузке 100 % окатышей в составе железорудных материалов и подачу их гребней в район канала. В ходе нагрева и восстановления окатыши разрушаются. В результате в районе канала формируется столб шихты, в верхней части которого расположены крупные, не-разрушившиеся окатыши, а в нижней-мелочь - продукт разрушения. При интенсивном газовом потоке возникают условия для их противотока. Сопротивление движению газов увеличивается, что приводит к перераспределению и выравниванию газовых потоков по окружности доменной печи. При опускании окатышей в зону размягчения происходит окончательное выравнивание окружного газораспределения. Опробование этого способа регулирования газового потока в условиях металлургического комбината "Азовсталь" показало его эффективность.

ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СТАТИЧЕСКОГО ДАВЛЕНИЯ ГАЗА ПО ШСОТЕ ШАХТЫ ДОМЕННОЙ ЛЕЧИ

Расчетное определение газодиншвтеских характеристик зернистого-слоя позволяет анализировать распределение статического давления по высоте шахты доменной печи. Однако при этом неприменимо

в неизменной форме уравнение Дарси-Вейсбаха, поскольку оно не учитывает влияния давления на свойства газа. При значительном перепаде давления объем, плотность и кинематическая вязкость газа меняются, что приводит к нелинейному распределению статического давления газа по высоте слоя И .На кавдом участке слоя бесконечно малой высоты <1Н с потерями напора с!р физические свойства газа можно считать неизменными. Интегрирование дифференциального уравнения, описывающего движение газа через участок высотой сШ , приводит к уравнению распределения статического давления по высоте слоя

О А/г' , "Г>-ОиииТР,, ( аао^'а-вГ с.„уУ

где р„ - давление газа на верхней границе слоя, Па;

Ч - динамическая вязкость газа, Па-с ;

11н и рл - скорость и плотность газа при нормальных условиях, м/с и кг/м3 ;

Рн и Тн - нормальные давление и температура, рн к 10^ Па, Тн = = 273° К;

Т - температура газа, °К;

Ф - фактор формы частиц.

■ В доменной печи наряду со свойствами газа с высотой меняются все величины, влияющие на потери напора. Аналогичный подход с учетом изменения с высотой площади горизонтального сечения рабочего пространства, химического состава и температуры газа приводит к уравнению распределения статического давления газа по высоте шахты доменной печи

V (1-£)0*и РЛд с* {бостая Ц*сх [(1*к+Н/Цсс)^--Сйк + Н/ЦоС )31*к]+ +

+ 2остос^ ЙкЦ'схДяД^+Н/Ц«;1- К»3^* Н/^<Х)]+ + 2[ткЯик-(о(тр„«-(Ж?Тк)Як1дос-оСто^ !?«*<}<*]• . (б)

Рк+ бзьгФ£М9тиИк3 (йк + н/цос)3

р =

где Рк - давление на колошнике, Па;

0„ - выход колошникового газа при нормальных условиях, м3/с ; сх - угол наклона стен шахты, град;

- радиус колошника, м ; Тц - температура колашгакового газа, °К; Р«к - плотность колошникового газа при нормальных условиях, кг/м3.

Предполагалось, что нормальная плотность и температура доменного газа меняются с высотой линейно

Т= Тк + ост Н /ик-^Н

В условиях доменной плавки распределение температуры газа по высоте описывается Й -образной кривой. С небольшой погрешностью для шахты домешой печи ее можно заменить двумя прямыми, каждая из которых описывает распределение температур по высоте одной из зон теплообмена.

Сравнение значений давления газа на различных горизонтах печи, рассчитанных по формуле (6), с данными вертикального зондирования доменной печи показало, что предложенное уравнение качественно и количественно верно описывает распределение давления по высоте шахты доменной печи.

На основе уравнения распределения статического давления газа по высоте рабочего пространства была разработала методика расчета верхнего перепада давления газа в доменной печи. Она предусматривает определение газодинамических характеристик доменной шихты, исходя из содержания в ней мелкой фракции, коэффициента сопротивления с учетом послойности укладки кокса и агломерата и неравномерности распределения мелочи по высоте, расчет высоты верхней-зоны теплообмена и определение перепада давления середина шахты - колошник. Разработанная методика успешно применялась при анализе влияния осевой загрузки кокса на распределение статического давления по высоте доменной печи для условий металлургического комбината "Запорожсталь".

РАЗРАБОТКА. И ВНЕДРЕНИЕ СПОСОБОВ ЗАГРУЗКИ, ОБЕСПЕЧИВАЮЩИХ ЛУЧШИЕ ГАЗОДИНАМЩЕСКИЕ УСЛОВИЯ В ШАХТЕ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

Исследования распределения статического давления по высоте показали, что наибольшее сопротивление проходу газов в сухой части рабочего пространства доменной печи столб шихты оказывает в верхних

горизонтах шахты. Поэтому целесообразно повышение газопроницаемое' ти прежд всего верхних слоев шихты. Достичь этой цели по'зволяет изменение режима работы большого конуса. Уменьшение скорости его опускания и остановка в промежуточном положении способствуют увеличению времени ссыпания шихты в печь и уменьшению динамического удара. Анализ влияния режима работы большого конуса на изменение динамических усилий на поверхности шихты во время ссыпания материалов на колошник показал, что приостановка большого конуса в промежуточном положении более эффективно уменьшает динамический удар шихты, чем его замедленное опускание.

Зависимость времени ссыпания шихты от хода большого конуса И при условии, что не все материалы покидают его поверхность до остановки, описывается уравнением

Н + Н0

- А/ 51П 2о(к / .

' Ъ \ (ьтобк - ^ соз оск)1 еозлс<к п°>

(V)

(ьтобк-^ со5оСк)*-еозА<хк/чп гик

где V - объем материалов на большом конусе, м3 ;

- угол наклона поверхности большого конуса, град;

- диаметр большого конуса, и;

^ - ускорение свободного падения, м/с ;

^ - коэффициент трения материалов о поверхность большого конуса ;

ик - скорость опускания большого конуса, м/с ;

Н0- высота вертикально стоящей стенки материалов, м.

Результаты расчетов и опытные исследования показали, что наиболее сильное влияние на время ссыпания шихты положение остановки большого конуса оказывает, если его ход лишь немного превышает высоту вертикально стоящей стенки материалов. В связи с этим для эффективного использования приостановки большого конуса епо ход должен быть различным при различных системах загрузки. В соответствии с исследованиями на секторной модели колошника и на реальной дсмен-ной печи агломерат беспрепятственно ссыпается при ходе большого конуса 200-250 мм, кокс - при опускании большого конуса на 300-350 мм. Смешаннызподачи можно загружать в печь, избегая сводообразования в щели между контактными поверхностями, при ходе конуса 300-350 мм. Исследования на секторной модели распределения на колошнике шихты, ссыпающейся через приоткрытый большой конус, позволили уточнить влияние его хода на радиальное распределение рудных нагрузок. При загрузке прямых подач уменьшение хода большого конуса приводит к снижении "'рудных нагрузок у стен колошника, при подачах коксом впе-

ред его приостановка приводит к подгрузив периферии. Такое влияние хода конуса на радиальное распределение шихты обусловлено тем, что первые порции материала, преодолевая большое сопротивление щели между контактными поверхностями, покидают большой конус с малой скоростью, падают по почти вертикальным траекториям и размещаются в промежуточной зоне. Ссыпающийся вторым материал успевает набрать запас кинетической энергии и легче преодолевает сопротивление щели. Он падает по более пологим траекториям к стенкам колошника, а гребень шихты в промез^точной зоне препятствует его распространению к центру.

Способ загрузки, предусматривающий промежуточную остановку большого конуса в разных положениям для различных подач, был внедрен на доменной печи Р 2 металлургического комбината "Азовсталь" полезным объемом 1233 м3. Применялись системы загрузки: 1Ш А^ КЕЙ, КА^ АК4,КААК{ , КА4 . Реализация способа показала его боль-

шие возможности в регулировании радиального распределения рудных нагрузок. Система загрузки НА + А I КК 1 способствовала разгрузке периферии, подачи КА} АК4 и ЮШС1 подгружали периферийную зоцу, подача КА1 А* КК I способствовала разгрузке центра печи. Проведенный статистический анализ свидетельствует о том, что при применении приостановки большого конуса увеличивается вынос колошниковой пыли из доменной печи. Дополнительное удаление мелочи из шихтовых материалов во время загрузки наряду с уменьшением динамического удара шихты способствует повышению ее газопроницаемости. Применение способа загрузки позволило снизить расход кокса на 3 кг/т чугуна.

Закономерности ссыпания шихты при различном ходе конусного распределителя были использованы для регулирования количества кокса, подаваемого в центр колошника через осевое технологическое отверстие в большом конусе. Уменьшение хода малого конуса способствует падению шихты на большой конус по более крутым траекториям и приближению ее гребня к обичайке, ограничивающей осевое технологическое отверстие. При этом количество кокса, ссыпающегося в центр, увеличивается. Опытные исследования на доменной печи («- 3 металлургического комбината "Залорожсталь" показали, что за счет уменьшения хода малого конуса возможно изменение количества кокса, подаваемого в центр, с 35 % до 75 $ объема скипа. Способ увеличения количества кокса, загружаемого непосредственно в осевую зону, за счет остановки малого конуса в промежуточном положении применялся в промышленных условиях в случаях перегрузки центра для увеличения осевого газового потока.

Анализ влияния неравномерности распределения мелочи по высоте и послойности укладки шихты на ее газопроницаемость подтвердил целесообразность смешивания шихты при загрузке в доменную печь. Изменение режима работы малого конуса позволяет частично смешивать компоненты доменной шихты без применения дополнительных устройств в оборудовании загрузки. Известно, что при осыпании на колошник рудного материала вслед за коксом более тяжелый и мелкий агломерат в восходящем потоке газа обгоняет кокс, а в момент падения на поверхность засыпи куски агломерата внедряются в толщу кокса. В результате происходит частичное перемешивание шихты. Первоочередное ссыпание рудных материалов наоборот способствует разделению агломерата и кокса. При подаче на большой конус агломерата через приоткрытый малый конус, а кокса при открывании малого конуса на полный ход, железорудный материал размещается на поверхности большого конуса и ссыпается вслед за коксом, располагающимся у стен чаши. Это приводит к снижению рудной нагрузки на периферии и частичному смешиванию шихты в промежуточной зоне. При осыпании на большой конус кокса с приоткрытого малого конуса, а агломерата с малого конуса, опущенного на полный ход, у стен чаши располагается агломерат. В этом случае первым ссыпается агломерат, а затем кокс с поверхности большого конуса, что способствует подгрузке периферии и разделению компонентов доменной шихты. Опытные исследования, проведенные на секторной модели колошника, подтвердили влияние режима работы малого конуса на радиальное распределение шихты и на степень смешивания шихтовых материалов на колошнике.

ОСНОВНЫЕ швода И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Получены уравнения зависимости порозности зернистого слоя от содержания мелкой фракции при отношении диаметров мелких и крупных частиц менее 0,07, дополняющие известные формулы дая расчета -порозности доменной шихты при других значениях отношения диаметров частиц.

2. С небольшой погрешностью среднегармонический диаметр частиц доменной шихты можно определить, исходя из содержания мелочи. В качестве второй фракции следует выбирать крупные частицы, если их в смеси больше, чем средних, и частицы среднего размера, если их количество превышает содержание крупной фракции.

- г? -

3. Опытными исследованиями подтвержден экстремальный характер зависимости коэффициента газодинамического сопротивления зернистого материала от доли мелкой франции, обусловленный неравномерностью распределения мелочи по высоте слоя. Послойная укладка шихтовых материалов в шахте доменной печи при содержании мелочи в агломерате менее 0,Ь приводит к увеличению газодинамического сопротивления доменной шихты из-за неравномерного распределения мелких частиц по высоте. Повышению газопроницаемости доменной шихты должно способствовать смешивание ее компонентов при загрузке, устраняющее послой-ность укладки и неравномерность распределения мелочи по высоте. Предложены уравнения для расчета коэффициента газодинамического со-противлення доменной шихты, учитывающее неравномерность распределения мелочи для шахты доменной печи и лабораторных условий.

4. Предложенные уравнения доя расчета порозности и коэффициента сопротивлешш доменной шихты вместе с уравнением для расчета перепада давления газа в слое позволяют с достаточной точностью определять потери напора в слое шихтовых материалов при скорости фильтрации газа меньше критической, при которой мелкие частипу в пустотах между крупными кусками переходят во взвешенное состояние.

5. Опытным путем установлена возможность протекания процесса противотока зернистых материалов, различающихся крупностью частиц, в восходящем потоке газов. Мелкие частниц поднимаются вверх, проникая в пустоты между опускающимися крупными кусками. Перепад давления газа при противотоке зернистых материалов увеличивается. Для ликвидации канального хода в доменной печи целесообразно загружать в район канала гребни окатышей. Вследствие их разрушения возникают условия для противотока мелких частиц и вдразрушившихся окатышей и увеличения сопротивления проходу газов.

6. Изменение давления газа по высоте зернистого слоя при больших потерях напора, носит нелинейный характер, как при ламинарном, так и при турбулентном режиме движения газа. Это обусловлено влиянием давления на плотность, скороси фильтрации и кинематическую вязкость газа. Получено уравнение, описывающее распределение статического давления по высоте шахты доменной печи. Предложена методика расчета верхнего перепада давления в доменной печи, позволяющая анализировать распределение статического давления по высоте шахты доменной печи при различных условиях загрузки.

7. Разработан, исследован и внедрен способ загрузки доменной печи, обеспечивающий снижение динамического удара шихты за счет

приостановки большого конуса в промежуточном положении на (лзлич-ной высоте при различных системах загрузки. Внедрение разработанного способа загрузки на доменной печи № 2 металлургического комбината "Азовсталь" позволило снизить расход кокса на 3 кг/т чугуна. Экономический эффект от применения разработанного способа составил 60 тыс.руб.

8. Предложен, исследован и внедрен на доменной печи № 3 металлургического комбината "Запорожсталь" способ загрузки, предусматривающий регулирование массы кокса, подаваемого в осевую зону, за счет изменения хода малого конуса. Реализация способа загрузки в промышленных условиях показала его достаточную эффективность при корректировке радиального распределения шихты и газов.

9. Разработан способ загрузки доменной печи, предусматривающий целенаправленное смешивание, или разделение железорудных материалов и кокса за счет различного хода малого конуса при ссыпании на большой конус разных компонентов доменной шихты.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНО В СЛВДПЩИХ РАБОТАХ

1. Тарасов В.П., Томаш A.A., Ковалевский И.А. Математическое описание зависимости порозности зернистого материала от доли мелкой фракции в слое.- Известия ВУЗов. Черная металлургия.-1989,-

№ 5,- С.23-26.

2. Ковалевский И.А., Томаш A.A., Крюков И.И. К вопросу о математическом описании порозности сыпучих материалов //Пути улучшения газодинамики металлургических шихт. Тезисы докладов научно-тезши-ческой конференции,- Караганда, 1987,- С.40-41.

3. Томаш A.A., Темнохуд H.H., Крылов И.Э. Технология загрузки доменной печи, обеспечивающая снижение динамического удара шихты. //Теория и практика металлургических процессов.тКиев.-1990.-С.4-10.

4. Тарасов В.П., Томаш A.A. Об экстремальном характере зависимости коэффициента газодинамического сопротивления от доли мелкой фракции в слое.- Извести^ ВУЗов. Черная металлургия.-1990.- № 8,-С. 104-105.

5. Исследование массопереноса при потере стабильности граничащих зернистых слоев/Тарасов В.П., Семакова В.Б., Томаш A.A. и др.-Сталь.-1°РГ.- Р 9.- С. II—14.

6. A.C. 131 5475 МКИ С 2IB7/-20: Способ регулирования газового потока в домешой печи /Тарасов В.П., Темнохуд H.H., Крылов Н.Э., Сомаш А.Л. (СССР) - К? 4025769, заявл. Г4.01.86 ; опубл. 07.05.07 ; Зюл. № 21 //Изобретения.- 1987,- № 21.- С.106.

7. A.C. 1444355 МКИ С 2IB7/20. Способ загрузки доменной печи /Крылов Н.Э., Тарасов В.П., Темнохуд H.H., Томаш A.A. (СССР) -

з 4173097, заявл. 04.01.81 ; опубл. 15.12.88 ; Бол. № 46 //Изобрете-шя - 1988.- № 46.- С.120.

8. Патент по заявке К? 4808942, МКИ С 2IB7/20. Способ загрузки доменной печи /Тарасов В.П., Сацкий В.А., Минаев С.В., Томаш A.A.'

л др. (СССР), заявл. 02.04.90.

9. Патент по заявке № 4868425, ffiffi С 2107/20. Способ загрузки доменной печи /Тарасов В.П., Плискановсний С.Т., Логинов В.И., То-:лаш A.A. и др. (СССР), заявл. 13.08.90.