автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Программно-измерительный диагностический комплекс для шахтных металлургических печей

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ

^ I 0 () А На правах рукописи

<1 п

О 1 !;

ДОБРОСКОК Владислав Андреевич

ПРОГРАММНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ДИАГНОСТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ШАХТНЫХ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПЕЧЕЙ

Специальность 05.16.02 — "Металлургия черных металлов"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 1994

Работа выполнена в Московском институте стали и сплавов

Официальные оппоненты:

Академик Инаенерной Академии РФ,

доктор технических наук, профессор В.П.АВДЕЕВ

Доктор технических наук И.Г.ТОВАРОВСКИй

Академик Инаенерной Академии РФ,

доктор технических наук, профессор Ю.Г.9Р0ШЕНН0

Ведущее предприятие: Череповецкий металлургический комбинат

Защита состоится -1994 г. на заседании

специализированного совета Д-068.02.02 при Московском институте стали и сплавов (117935,г.Москва,ГСП-1,Ленинский проспект,4)

С диссертацией мояно ознакомиться в библиотеке института

Автореферат разослан

Ученый секретарь

специализированного совета,

доктор технических наук,

профессор Д.И.БОРОДИН

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Разработка рациональной ресурсосберегающей технологии выплавки чугуна возможна в современных условиях лишь при детальном изучении процесса экспериментальными методами и методами математического моделирования. В последние годы уникальные результаты исследования охлаяденных доменных печей и быстрое развитие компьштерного моделирования и численных методов позволили обосновать, промоделировать и реализовать на практике такие высокоэффективные доменные технологии как работа доменных печей большого об'ема с развитым центральным потоком газов, с вдуванием в фурмы пулеугольного топлива, с частичной заменой высококачественного кокса его мелкими фракциями, с низкой интенсивностью хода и с расходом кокса, близким к термодинамическому пределу при выплавке низкокремнистого чугуна.

Исключительно важное значение приобретают контрольно-измерительные зондовне системы на доменных печах, позволяющие получить недоступную прежде информацию о профиле засыпи и структуре шихтовых материалов, о форме и положении зоны плавления, о структуре коксовой насадки. В настоящее время интересы исследователей концентрируются вокруг процессов^ зоне плавления как с точки зрения ее лимитирующей роли в газодинамике доменной плавки, так и с точки зрения поиска аналогов принципиально новых яидкофазных технологий производства металла.

Нникальные по своей научной ценности концепции и разработки отечественных ученых (теория тепломассобмена в доменных печах, методика "замораживания" доменных печей, изобретение лоткового загрузочного устройства и испарительного охлаждения доменых печей, теория вдувания пылеугольного топлива и др.) получили свое техническое воплощение гораздо шире за рубежом, чем на родине изобретателей. Отечественная металлургия продолжает насыщаться технологическим оборудованием и компьютерными разработками иностранных фирм.

Перечисленные выше обстоятельства обуславливают актуальность диссертационной работы необходимостью разработки конку-рентноспособного компьютерного программного продукта для диагностики хода доменных печей, для разработки новых ресурсосберегающих технологий, для обучения технологического персонала доменных цехов и для текущего управления процессом. Поскольку качественное моделирование процесса даже при высокой точности

аналитического решения задачи невозможно без достоверной ин формации о важнейших характеристиках процесса (например, структуре шихтовых материалов в печи), требуется разработка принципиально новых и высокоэффективных зондовых измерительных систем.

Цель и задачи работы. Целью работы является разработка программно-измерительного комплекса на основе современных методов математического моделирования и на основе прямого измерения структуры шихтовых материалов в домен ной печи, производимого с помощью зондовой сканирующей системы.Программно-измерительный комплекс должен решать следующие задачи:

-прямое измерение в промышленных условиях структуры шихтовых материалов в шахте доменной печи с целью оптимизации систем загрузки и с целью обеспечения комплекса математических моделей необходимой информацией, решающим образом влияющей на точность и общее качество моделирования; - с высокой точностью, обуславливающей безусловную конкурентноспособность программного продукта и измерительных средств, производить текущую диагностику работы доменных печей и шахтных печей для металлизации окисленных окатышей как в лабораторных, так и в промышленных условиях в режиме реального времени;

-с высокой надежностью воспроизводить различные режимы работы доменных печей в диапазоне применяемых в настоящее время систем загрузки, с целью итерационного поиска новых ресурсосберегающих технологий, в частности систем загрузки с частичной заменой кокса его мелкими фракциями, импульсных режимов работы печи, низкоинтенсивной работы печи с низким расположением зоны плавления и с выплавкой низкокремнистого чугуна, с низким уровнем теплового резерва и стабильным тепловым состоянием; -позволять с высокой эффективностью производить обучение технлогического персонала цехов и будущих специалистов рациональным приемам управления шахтными печами, умению производить быстрый и точный анализ процессов газодинамики и тепломассообмена в шахтных печах.

Научная новизна работы обусловлена следующими научными и техническими результами ;

-разработана новая зондовая сканирующая система для прямого измерения структуры шихтовых материалов в доменной печи, не имеющая мировых аналогов и защищенная патентом РФ. Все эле менты системы - измерительная схема, механическая часть и

-ъ-

программное обеспечение - в промышленных условиях эксплуатации показали высокий надежность. С помощью системы получена новая информация о структуре шихтовых материалов в доменной печи;

-разработан не имеющий отечественных аналогов программно-измерительный комплекс для диагностики доменных печей в темпе с процессом на основе современных моделей газодинамики и теплообмена. В ходе идентификации математической модели выдвинуты новые гипотезы, подтвержденные вычислительным и лабораторным экспериментами: о распределении тепловых эффектов гетерогенных реакций типа реакции газификации углерода между газовой и твердой фазами, об инвариантности распределения тепловых эффектов реакций между твердой и газовой фазами в модели конвективного теплообмена, о распределенном характере кажущихся значений кинетических констант уравнений кинетики в реакционном пространстве, о колебательном характере процессов тепломассообмена в доменной печи вследствие влияния обратных связей по тепловым эффектам реакций. В структурном отношении математическая модель массообмена позволяет оценить потоки фаз реагентов, скорость срабатывания коксовой насадки по кольцевым радиальным зонам, произвести оценку формы и положения зоны плавления. Модель газодинамики позволяет приз-вести оценку массовой скорости газа в коксовых окнах' доменной печи как лимитирующего газодинамического звена доменного процесса.С помощью программно-измерительного комплекса получена новая информация о форме и положении зоны плавления в доменной печи N5 ЧерМК, подтвержденная пробами металла и шлака из зоны плавления, -разработаны с применением программного комплекса режимы доменнной плавки с частичной заменой качественного кокса его мелкими фракциями, с импульсной загрузкой кокса, режим низкоинтенсивного хода и др. Режимы с загрузкой коксовой мелочи в надфурменную радиальную зону доменной печи, с импульсной загрузкой кокса и др. защищены патентами РФ и опробованы в промышленных условиях.

-разработан программный обучающий комплекс и система тренажеров для технологического персонала цехов и студентов металлургических вузов на основе математических моделей газодинамики и тепломаассообмена в доменных печах и шахтных Мидрекс-ре-акторах, а также на основе передаточных функций каналов управления и моделей приведенных возмущений.

Практическая ценность работы определяется ревением следую-

щих технических задач:

- разработана и сдана в эксплуатацию зондовая сканирунща! система, позволяющая эффективно подбирать желаемые систе1 загрузки доменной печи и контролировать сход материалов

в печи;

-разработан программно-диагностический комплекс для диагностики хода доменной печи, позволяющий избежать грубых ошибок управления и оценить эффективность текущего технологического режима;

-разработана экономичная технология доменной плавк! с заменой части кокса его мелкими фракциями с их загрузю в надфурменную радиальную зону, некритичную в газодинамическом смысле и в смысле потери коксовой насадкой своих фильтрующих свойств;

-разработан и используется в учебном процессе программно-обучающий комплекс, позволяющий свести к мини муму риск ошибок управления тепловым состоянием доменной печи.

Реализация результатов работы осуществлена на следующих предприятиях :

- программно-диагностический комплекс (газодинамика, теплообмен) передан Новолипецкому металлургическому комбинату и металлургическому комбинату "йзовсталь" для внедрения в 1986 г.;

-программно-диагностический комплекс и обучающие программы переданы для внерения на Магнитогорский металлурги ческий комбинат в 1991 г.;

-программно-диагностический комплекс принят к внедрению на Нижне-Тагильском металлургическом комбинате в 1994 г. -зондовая сканирующая система реализована на ДП N5 и ДП ЧерМК:

-программно-диагностический комплекс принят к внедрению в доменном цехе ЧерМК в 1993 г.;

-режим доменной плавки с частичной заменой кокса его мел кими фракциями опробован на ДП N5 ЧерМК и принят к долго срочным испытаниям в 1994-95 гг.

-программный обучающий комплекс и тренажеры используются в учебном процессе в Московском институте стали и сплавс и переданы в ряд техникумов и вузов. Апробация работы. Материалы диссертации доложены на научно-технической конференции доменщиков СЕБЮ (11ШР, Франция) в 1980 г.; на 1У-ой республиканской научно-технической конференции (г.Караганда) в 1984 г.;

на 1У-ой Всесоюзной конференции по тепломассообменным процессам (г.1данов) в 1986 г.; научно-техническом семинаре "Автоматизация управления доменным производством" (г.Киев) в 1987 г.; на техническом совете МММ в 1990 г.; на техническом совете НЛМН в 1990 г.; на технических советах ЧерМК в 1991,1992 и 1993 гг.; на конгрессе доменщиков (г.Тула) в 1992 г.

Публикации, Результаты работы излояены в 5? статьях и а 12 авторских свидетельствах на изобретение и патентах.

Структура и об'ем работы. Диссертация состоит из введения, из 5 глав,заключения и списка литертуры из 211 наименований. Работа излояена на 326 стр. машинописного текста, включая 53 рисунка и 17 таблиц.

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ДВИЖЕНИЯ ШИХТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ, ГАЗОДИНАМИКИ И ТЕПЛОМЙССОПЕРЕНОСА В ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

Использованный для разработки программного диагностического комплекса математический аппарат целиком находится в рамках класссической теории дифференциальных уравнений в обычных и частных производных, теории операционного исчисления, рядов Фурье и математической статистики. Описание процессов в доменной печи построено на общефизических уравнениях, включая уравнения формальной кинетики твердо- и жидкофазного восстановления, которые моано трактовать как уравнения статистической физики, рассматривая правую часть как произведение вероятностей контактов частиц или микро-об'емов реагентов.

В качестве численных методов решения использованы модифицированный метод Зйлера, метод конечных элементов, метод Галеркина,

Математическая модель потока шихтовых материалов

Форма слоев шихтовых материалов определяется на основе ограничений, накладываемых об'емом загружаемых материалов и их углами естественного откоса. Падение материалов с загрузочного устройства происходит под действием силы тяжести до пересечени; траектории падения с образующей предыдущего загруженного слоя. На нулевом цикле итерации данная образующая формируется из эмш рических соображений. Стабилизация аналитического решения прои! ходит при загрузке 10-12 слоев шихтовых материалов (подач).

Об'ем фигуры, получаемой вращением сечения загруженно-

го слоя (подачи) определяется как:

где У/ > У? 1 #2 > Ус ~ Уравнения, описывающие

поверхности правого и левого ската верхней и нижней границ загруженного слоя,стенки колошника и стенки шахты; , уд -верш ны гребня верхнего и нижнего слоев; У/;, ~ т°чки пере-

сечения границ слоев со стенками печи и ее центральной осью. П: ложение вершины гребня определяется по оси X точкой пересечени: траектории падения материалов с образующей загружаемого слоя, 1 оси У - определяется с помощью итераций до совпадения об'ема

фигуры вращения (формула ) и реального об'ема подачи. Уравнение неразрывности потока шихтовых материалов имеет вид

¿¿1Г(\?г)*(?т С 2)

где -скорость движения потока,м/с; {?г -источник потока,

мЗ /мЗ.с. Из условия безвихревого движения материалов скалярный потенциал скорости Рг определится как ;

- £1а,с/(Рг) = к-]/г М)

где к -коэффициет пропорциональности (сопротивления движении), кг/м*с. Из уравнений следует:

дъ* г ъгг

с граничными условиями;

где -скорость движения материалов на колошнике,м/с и

-скорость движения материалов на выпуске,м/с. При этом остальная часть границы непроницаема, т.е.:

п • ргссс/СГг) = о (е.)

Из данной постановки задачи следуют допущения о непрерывном выпуске из доменной печи (на самом деле прерывистом,что сопровождается уменьшением скорости шихтовых материалов по мере накопления продуктов плавки) и безвихревом движении материалов (данное условие не выполняется у стен шахта). Не учитываются также влияние газового потока на колошнике на траекторию падения материалов и динамические явления при падении материалов на нижележащие слои (выброс нижележащих материалов, перемешивание материалов). Не учитывается также вынос пыли на колошнике доменной печи Распределение скоростей движения шихтовых материалов на колошнике определяется эмпирическим путем на основе литературных данных о 10-20 процентном увеличениии скорости схода над фурмен-нными очагами,что приводит к некоторому выпрямлению наклонных слоев шихтовых материалов по мере их опускания вниз. Данная идеализированная постановка задачи в дальнейшем будет использоваться для оценочных расчетов проектируемых режимов до-

менной плавки и в меньшей мере для диагностики работающих печей, Решение задачи производилось с помощью аппарата теории вариг ционного исчисления,когда решение уравнения ¿/ с граничными условиями £ эквивалентно отысканию функций, минимизирующих функционал вида:

где /? -центр масс элементов. Аппроксимация для искомой функции в элементе берется в виде линейной функции от координат. Минимизация по /у дает:

^ _ - гп т _

щ-кг/гЩ

где г/ -элементный вклад; т -общее число элементов.

Решение уравнения приводит к системе линейных ал-

гебраических уравнений,неизвестными в которых являются значения потенциала скорости в узлах элементов. Составляющие скорости перемещения материалов внутри элемента определяются суммой произведения значений потенциала скорости на производные от функции, аппроксимирующей его по выбранным осям координат в вершинах элемента.

Результатом расчетов по данной модели является "плоское" распределение скоростей движения шихтовых материалов в печи, их расход в об'еме печи,структура шихтовых материалов на колошнике и в печи в целом вплоть до зоны плавления. Движение материалов ниже зоны плавления (стекание жидких продуктов плавки по коксовой насадке,движение кокса по неподвижному коксовому конусу к фурменным очагам и др.) требует дополнительного изучения и применения иного математического аппарата.

Примеры расчета структуры шихтовых материалов приведены на рис. Щ , /5" • Они относятся к ДП 5 ЧерМК и имели своей целью определение такой системы загрузки (станции БЗУ и об'ема выгружаемых материалов), при которой кокс пониженного качества либо коксовая мелочь загружались бы в печь (с целью замены высококачественого кокса ) в виде компактного микромассива и транпортировались бы затем в район фурменных очагов.

Математическая модель газодинамики доменной печи

Основные допущения математической модели газодинамики заключаются прежде всего в ее базировании на представленной выше модели потока шихтовых материалов. Как следствие слои шихтовых материалов представлены без какого бы то ни было перемешивания во всем об'еме печи; система фурменных очагов рассматривается в виде тороидального кольца; порозность шихтовых материалов оценивается с привлечением опытных данных об охлажденных доменных печах.

Нравнение сплошности газового потока принято в виде:

- = <?г Ч>

где (тг -вектор массовой скорости газового потока,кг/м с;

(Рг -источник потока массы,кг/м^- с. Падение давления при прохождении газа через слой шихтовых материалов определяется с помощью уравнения Эгона, при этом компоненты градиента^определятся как:

где Р -давление газа,Па; ^-коэффициенты в уравнении Згона; ^-горизонтальные и вертикальные составляющие расхода газа,кг/мг-с. В целом уравнение газодинамики примет вид:

е.;

где а0- //(/¡+/г 1&1- Граничные условия для данного уравнения определяются следующим образом:

-на уровне засыпи:давление колошникового газа Ра ,Па :

Р = Ро (¿г.)

-на уровне Фурм:поток газа .кг/м^-с :

«о

- на остальной части границы принято условие непроницаемости:

а*'П-у1а€С(р)*о у«)

где -единичный вектор нормали к поверхности.

Решение задачи газодинамики аналогично решению вышеизложенной задачи потока шихтовых материалов.Результатом решения

является распределение давления газа в узлах элементов. Расход газа в треугольном элементе площади А определится как:

где -давление газа в узлах элемента,Па; ^¿^¿/^Д-зна-

чения производных по осям координат от функции давления в узла: На нулевой итерации значения расходов газа определяются по зар< нее рассчитанным вспомогательным функциям.

Математическая модель газодинамики коксовых окон зоны плавления

Ввиду исключительной вааности условий истечения газа через коксовые окна в зоне плавления доменной печи на основе вышеизложенного подхода разработана математическая модель газодинамики коксовых окон. При этом решение задачи совершенно аналогично решению задачи общей газодинамики доменной печи.Специфическим условием задачи является разбиение области исследуемого коксового окна на более мелкие элементы, при этом краевые условия задачи определяются по всей замкнутой области решения из общей модели газодинамики. Краевые давления газа внутри "большого" элемента определяются с помощью линейной интерполяции. Порозность собственно коксового окна определяется с привлечением опытных данных об охлааденных доменных печах, с учетом продавливания размягченных "сталактитов" агломерата в коксовый слой. Порозность размягченных слоев агломерата принята равной нулю, и в случае попаданию данных слоев на края задачи на них накладывается условие непроницаемости

Математическая модель тепломассобмена в шахте доменной печи

Математическая модель тепломассообмена в доменной печи базируется на вышеизложенных моделях потока шихтовых материалов и газодинамики, откуда она получает информацию о массовых скоростях (радиальных и вертикальных) твердых материалов и газов. Таким образом,данная модель поглощает все допущения вышеизложенных моделей и имеет следующие специфические допущения:

-в модели массообмена восстановление каждой оксидной фазы железа не влияет на восстановление других фаз; -тепловые эффекты гетерогенных реакций типа газификации углерода распределяются преимущественно (до 80 У.) в газовую фазу;

-параметры уравнений кинетики массообмена представляют из себя усредненные ("кажущиеся") величины,распределенные в плоском реакционном пространстве (в плоскости зондирования); -коэффициент теплопередачи конвекцией между газом и иихтой представляет из себя усредненную ("кажущуюся") величину, распределенную в плоском пространстве печи (в плоскости зондирования).

Нияе представлены уравнения реакционной системы вахты доменной печи в той последовательности,в какой они решаются в вычислительном цикле (восстановление оксидов яелеза монооксидом углерода). Радиальные и вертикальные составляющие щие массовой скорости ^ оксидных фаз железа (гематита, магнетита,вюстита и металлического железа) определяются как:

^'^•»^Л-У-ат^-Л- с;

лФ*

где ^г,/» -составляющие массовой скорости оксидных фаз железа, кг/м^-с; ф1 -массовая доля железа в виде 1-той оксидной фазы яелеза,доли ед.; У - насыпная масса шихтовый материалов,кг/мЗ ; -общее содернание яелеза в шихте,'/.; а - стехиометрический коэффициент; Ь -время,с; г,11 - радиус и высота шахты соответственно.

Восстановление (исчезновение) оксидной фазы железа гематита и сопутствующие тепловые эффекты описываются следующими уравнениями:

г* ТГ П Нъг+Ь 57Г/

Восстановление магнетита и сопутствующие тепловые эффекты: (1$)

--/г -

гь^Г К \ к

Восстановление вюстита,появление металлического железа и

сопутствующие тепловые эффекты:

- ■ ^г

Баланс кислорода,отнятого от шихты и перешедшего в газ (диаграмма Й.Риста):

Газификация углерода и сопутствующие тепловые эффекты: Реакция водяного газа и сопутствующие тепловые эффекты:

си)

с«;

Суммарные тепловые эффекты всей реакционной системы:

т

V- -ьтн^) «*>

г1 '

Теплообмен между газом й шихтовыми' материалами:

. и М 1л/ Р С & Г А*

где > , <},, 2 -составляющие массовой

скорости гематита,магнетита,вюстита,углерода,оксида углерода, газа и материала соответственно,кг/м^с;

км ки/,кс,1(и.-кинетические константы, 1/м ; Н, М} р -массовые скорости гематита,магнетита,вюстита и металлического железа, кг/мг-с; С -начальная об'емная доля монооксида углерода в газе-восстановителе,доли ед.; С-доля углерода кокса,газифицированного в шахте печи,доли ед.: и-доля оксида углерода,участвующего в реакции водяного газа,доли ед.; X -равновесная окисленность газа-восстановителя,доли ед.(ат 0/ат С);Х-текущая окисленность газа-восстановителя в газе,доли ед.Сат 0/ат С); Кц, ^-составляющие термодинамического расхода газа-восстановителя,доли ед.Сат 0/ат Ее); СГ) См-теплоемкости газа и шихты соответственно,Дж/кг-К; ТГ} Тм-термодинамическая температура газа и шихты,К; Ли-об'емный коэффициент теплопередачи конвекцией,Вт/м3-К; 2а,,'^суммарные тепловые эффекты в газовой и твердой фазах,Вт/м3 ; Я^Дцщельные тепловые эффекты реакций, Дя/кг: /О,- коэффициент теплопроводности, Вт/м-К. '

Величины Ун, У/ч> Хи?/ Ус, Уи, СГг С л* являются сложными функциями температур и химического состава газа и шихтовых материалов и взяты по справочным данным.

Сравнения размерности имеют следующий вид: -массообмен,поток оксидных фаз железа:

Й&ШЯ - Ш*Ш-х[<] • ["¿а] сзз;

-баланс кислорода:

-ль -

-тепловые эффекты реакций: (35

hl.ilм\ = ^[^Ж^с] [м] ~ Гтй]

-теплообмен:

-теплообмен:

с1

Граничное условия системы уравнений определены следующим образом:

-фазовый состав и окисленность велезосодершащей шихты на колошнике : Н= Но, м- Мо, к/ = И/о, Г- Го, У-Го , причём:

У О - 4,5 Но + 33 "о о5"и/0 СЗ «

-состав и окисленность газа-восстановителя на уровне фурм:

Х = *о

-температура шихтовых материалов на колошнике:

-температура газа на уровне фурм: гЪГГ _ гЭГг

)

СЪ2)

»5

_ ф —ф

где 7^. -теоретическая температура горения,К; Тм -температура шихтовых материалов (коксовой насадки) на уровне

^ лг иеертцкольна* ■

фурм,К; -радиальная^составляющая массовой скорости

газа на уровне фурм,кг/м*-с. -тепловой поток с отходящими газами:

где (ргг -тепловой поток с отходящими газами на части границы 5^,Вт/мг;п -единичный вектор нормали к поверхности ; -тепловой поток с выпускаемым материалом:

где -тепловой поток с выпускаемым материалом на части границы Б г ,Вт/мг ; ' -потери тепла через стенку шахты теплопроводностью на части

границы Б^:

*&Нг(тг-г.) с«*;

где А/ц-коэффициенты теплопроводности через стенку,Вт/м*К: 7о.-температура окружающей среды,К.

Даннная система уравнений записана для восстановления оксидов железа монооксидом углерода. Восстановление оксидов «елеза водородом записывается с помощью аналогичной системы уравнений и обе- системы решаеются в едином вычислительном цикле.Термодинамика сложной газовой смеси СО и водорода рассчитывается" по известным соотношениям. Данный подход эквивалентен представлениям о параллельном независимом и конкурирующем протекании реакций восстановления монооксидом углерода и водородом, причем эти системы взаимодействуют через реакцию водяного газа. Влияние добавок водорода на скорость восстновления оксидов железа,установленное экспериментально,учитывается некоторым увеличением кинетических коэффициетов в правой части уравнений. Чувствительность модели в целом к добавкам водорода невелика и приобретает существенную величину для Иидрекс-про-цесса.

Система уравнений решается методом Галеркина.Результатом расчета являются значения в узлах координатной сетки температур газа и шихтовых материалов,окисленностей газа и шихты,потоки оксидных фаз железа,потоки газифицированного углерода кокса под действием реакции газификации,суммарные и частные тепловые эффекты реакций,форма и положение зоны плавления.

Математическая модель жидкофазного тепломассообмена в коксовой насадке доменной печи

Данная модель строится в условиях ограниченных эксперимент тальных данных о процессах тепломассообмена в коксовой насадке доменной печи и имеет следующие специфические допущения: -коксовая насадка обладает газопроницаемостью,близкой к газопроницаемости сплошной коксовой массы с частично деградированным фракционным составом по отношению к первоначальному при загрузке в печь. Вокруг фурменных очагов выделяется зона повышенной

фракционной деградации кокса,содержащей кокс -40 мм и большое количесто (до 10-20 '/.'/) кокса -10 мм; -подвижные слои кокса движутся по образующей неподвижного коксового конуса,погруженного в жидкие шлак и чугун,в фурменные очаги навстречу потоку газа и условия теплообмена в противотоке сохраняются; восстановление же стекающих жидких фаз происходит практически в неподвижном слое кокса; -стационарные условия теплообмена достигаются между газом и коксовой насадкой. Представленная модель не учитывает специфические условия теплообмена между стекающими продуктами плавки и газом,между чугуном,первичным шлаком и коксовой насадкой;

-тепловые эффекты жидкофазного восстановления оксидов железа, кремния и марганца распределяются в газовую фазу и частично в твердую фазу (кокс) как компенсация недостающего звена моделирования теплопередачи теплопроводностью между жидкими продуктами плавки и коксовой насадкой и между газом и жидкими продуктами плавки.

-восстановление жидких оксидов шихтовых материалов на поверхности коксовой насадки проходит в условиях избытка твердого восстановителя, поэтому в правой части уравнений кинетики "концентрация" твердого восстановителя равна единице и в записи формул отсутствует.

Математическая модель жидкофазного восстановления представлена следующей системой уравнений:

-жидкофазное восстановление С РеО) и сопутствующие тепловые эффекты:

(Р*0) 7>(РсО) (ЬО)д(ЬР). (Тео)

уъ п

и • Тг У* • ЭЬ гг « 57Г/

-жидкофазное восстановление (МпО) и сопутствующие тепловые эффекты:

= - а ■• ^ ^

Ь Н » 1 Тл

-жидкофазное восстановление Ш0г) и сопутствующие тепловые эффекты:

-суммарные тепловые эффекты жидкофазного восстановления:

«О

-теплообмен между газом и коксовой насадкой:

где {й.о)г(г1по)1(и0^тхъш жидких фаз в коксовой насадке,кг/м2с; с о) (М»о),фРг)~нассовая Доля исчезающей фазы, доли ед.

' Данная система уравнений имеет специфическую часть границы, по которой происходит сопряжение модели жидкофазного восстановления с моделью твердофазного восстановления в шахте доменной печи. Границу сопряжения определяет изотерма начала стенания жидких продуктов плавки в коксовую насадку (1360-1380 С) (нижняя граница зоны плавления). Остальные краевые условия идентичны краевым условиям модели твердофазного восстановления.

Результатом расчета являются поля температур газа и вихты в коксовой насадке, потоки жидких фаз, поток "срабатываемого" углерода коксовой насадки.

Концепция операционной компьютерной модели

В настоящее время решение вышеприведенной системы уравнени! возможно на больших вычислительных системах либо на персональных компьютерах при сегментировании задачи.Во всех случаях время корректного решения задачи составляет не менее 4 час., если вообще такое решение будет найдено. В течение нескольких лет эксплуатации данной задачи выявлены значительные вычислительные трудности,в том чиле носящие структурный характер и не устраняемые приемами численных методов решения систем дифференциальных уравнений. К числу таких трудностей относятся следующие:

-наличие обратных связей в модели тепломассообмена по тепловым эффектам химичесеих реакций,когда тепловые эффекты поступают в модель теплообмена и влияют на температуру газа и шихты,что в свою очередь через скорость реакции влияет на величину тепловых эффектов. Структурно такая система должна быть устойчивой по факту физической реализуемости процесса в реальном об'екте. Вместе с тем коэффициенты модели,вполне достоверные с точки зрения лабораторных исследсваний-т.е;Они либо определены на лабораторных установках,либо взяты из справочников (энергии активации,кинетические константы,коэффициенты теп лопердачи конвекцией и теплопроводностью,коэффициенты формы и др.) могут вызвать параметрическую неустойчивость решения,не-устраняемую, например,уменьшением шага координатной сетки, -накопление ошибки при передаче информации от одного блока моделей к другому,например,расходов газа и материалов из моделей потока материалов в модель тепломассообмена. Вследствие накопления погрешностей аппроксимации искомой функции между узлами ошибка окончательного решения может быть недопустимо большой.

-зависимость окончательного решения от точности задания краевых условий задачи, что в целом является слабым местом данного комплекса моделей. Как следует из их описания,ряд краевых условий сами определяются с помощью вспомогательных моделей,например,распределение температуры газа по радиусу доменной печи по оси фурм,форма слоев шихтовых материалов после их загрузки в печь. Последний фактор имеет превалирующее значение для всего комплекса моделей,что усугубляется принципиально неустранимыми ошибками при моделировании поведения сложных сыпучих сред. Так ошибки в определении распределения материалов на колошнике печи ведут к ошибкам

в определении порозности шихты в узлах задачи, затем к ошибкам определения расходов газа и материалов,далее к ошибкам в определении тепловых и концентрационных полей, формы и полоаения зоны плавления, и др.

Повысить быстродействие и параметрическую устойчивость модели удается за счет преобразования вышеприведенной системы уравнений для расчетов для трубки тока газа и материалов. При этом координатная сетка строится с учетом формы шахты доменной печи,где наклонные линии совпадают с предполагаемой трубкой тока. При этом в вышеприведенной системе уравнений радиальные составляющие потоков будут равны нулю, а сама система превратится в систему дифференциальных уравнений не в частных, а в обычных производных. Ниже приводится фрагмент такой системы,описывающий восстановление шихтовых материалов и теплообмен ( фрагмент включает формулы Ц~3£г общей системы дифференциалных уравнений в частных производных):

-восстановление металлического железа из вюстита и сопутствующие тепловые эффекты:

с *и, е С54;

-баланс кислорода (диаграмма А.Риста):

К /«V/ ЫМ ^ с^) (5-6)

с! И ~ (■ ~ыЪ с/А о/Н) У

-газификация углерода кокса и сопутствующие тепловые эффекты:

-реакция водяного газа и ее тепловые эффекты:

---^ е'^г.и-Су^х) V*)

л, и с/Ъч е/г?

* ж~ % зг с*»;

-го-

-суммарные тепловые эффекты в газовой и твердой фазах: с' '

г»! | ь Щ

-теплообмен между газом и шихтой:

Восстановление оксидов железа водородом записывантся с помощью уравнений кинетики, полностью аналогичных уравнениям

Для данной системы уравнений,решаемой любым численным м тодом итерационным путем,удается резко повысить устойчивость итерационного решения за счет разрыва обратных связей по теп ловым эффектам реакций без существенной потери точности реше ния. При этом тепловые эффекты реакций вводятся в модель в я ном виде в форме функций, наработанных на общей модели для различных режимов работы печи. Данный подход хорошо согласуется с понятием кольцевых радиальных зон доменной печи, работа которых за пределами собственно зоны плавления практи чески независима из-за небольшой величины радиальных потоков газа и шихты.

Область применения математических моделей и оценка погрешности моелирования

1.Наибольшую погрешность в математическое моделирование п ка шихтовых материалов,процессов газодинамики и тепломассопе реноса вносят ошибки при оценке структуры шихтовых материале при их загрузке в доменную печь.

Ошибки и низкое качество моделирования поведения сложных сыпучих смесей шихтовых материалов при их загрузке практически неустранимы аналитическими методами. Общее качество моделирования может'быть улучшено, если для ввода в модель пользоваться данными прямых измерений структуры шихтовых материалов в шахте доменной печи.

2. Структура математической модели тепломассопереноса отражает наиболее общие стороны реагирующей системы (в частности, ее статистический характер) и не учитывает в явном виде ряд прочих факторов:адсорбцию,диффузию и др., часть из которых связана с собственно механизмом реакции. Действие прочих факторов учитывается подбором настроечных коэффициентов, роль которых играют предзкспоненциальные множители, "кажущиеся" энергии активации, коэффициент теплопередачи конвекцией, коэффициенты формы и др. Эти коэффициенты должны определяться заново во всех случаях, связанных с существенным изменением составов и потоков масс шихтовых материалов и газа-восстановителя, при существенных изменениях технологического режима.

3.Математическая модель процессов в доменной печи обладает высокой степенью адекватности об'екту при условии ее идентификации по промышленным данным и может использоваться для диагностики процесса, управления процессом и поиска новых режимов работы печи лишь в пределах существующей технологии. Поскольку модель не отражает механизма процессов (истечения газов, твердо- и жидкофазного восстановления, теплопереноса), она не может быть использована для поиска принципиально новых технологий,хотя как инженерный инструмент может быть адаптирована к ним.

4.Оценка погрешности всего программного комплекса должна носить интегральный характер с целью учета накопленных ошибок вследствие обмена информацией между моделями. Такой интегральной характеристикой может служить погрешность в определении формы и положения зоны плавления доменной печи. Идентификация модели по данным об охлажденных доменных печах позволяет оценить ее погрешность в 15-20 процентов относительных при условии, что структура шихтовых материалов определяется с помощью моделирования, и в 5-10 процентов при прямом измерении структуры шихтовых материалов.

РАЗРАБОТКА' И ИССЛЕДОВАНИЕ 30НД0В0И СКАНИРУЮЩЕЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СТРУКТУРЫ ШИХТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ В ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

Обоснование разработки

Наибольшую погрешность в результаты математического моделирования тепломассообмена вносит ошибки в определении струк туры шихтовых материалов в доменной печи. Получить достаточно точные данные о распределении материалов на колошнике с помощью вспомогательной математической модели невозмоано в связи с трудностями математического описания поведения сыпучих сред сложного фракционного состава. Практически не поддаются матема тическому описанию динамические явления при падении шихтовых материалов с загрузочного устройства на нижележащий слой (выбросы), закономерности формирования смешанных границ слоев, Фракционная сегрегация и др. Сравнение результатов моделирования структуры шихтовых материалов с результатами прямого измерения приведено на рис. S • Фиг. 7 представляет результаты моделирования, осуществленное с помощью коммерческого программного продукта одной из иностранных фирм (по модьли МИСиС получены идентичные данные, см.рис. ) для доменной печи N5 ЧерМК. Фиг. Ц представляет результаты прямого измерения структуры шихтовых материалов за этот же период (2.10.1992 Зона 4 показывает наличие выбросов кокса к стенкам печи при па дении агломерата с 9 станции (42 град.) БЗУ на нижележащий коксовый слой. Слои агломерата (1) и кокса (2) содержат в себе вкрапления (размером не менее 100x100 мм в плоском сечении) кокса и агломерата соответственно. Фиг. Ш представляет те же слои агломерата и кокса,полученные прямым измерением,но подвер гнутые математической операции сборки границ. Смысл данной one рации заключается в перемещении вкраплений кокса и агломерата в тот слой,из которого они переместились в процессе загрузки и при опускании шихты вниз. Данный анализ указывает на существенную деформацию слоев по сравнению с предполагаемой структурой; подтверждается также наличие выбросов кокса к стенкам печи. На рис. $ представлены результаты моделирования процессов тепломассообмена с целью оценки формы и положения зоны плавления доменной печи за тот же период. Фиг. А представляет оценку формы и положения зоны плавления с использованием вспомогательной модели распределения материалов на колошнике, фиг. В - оценку на основе прямых измерений структуры

шихтовых материалов. Результаты отличаются настолько существенно, что было предпринято специальное зондирование верхней области зоны плавления с целью подтверждения достоверности моделирования процессов тепломассообмена. Как следует из рис. 3 , результаты моделирования процессов тепломассообмена на основе прямого измерения структуры шихтовых материалов подтверждаются с высокой точностью.

Принцип работы зондовой сканирующей ситемы

Работа зондовой системы основана на принципе последовательного просматиривания микрооб'емов шихты и считывания из данного микрооб'ема сигнала типа "кокс" либо "агломерат". На конце горизонтального зонда находится датчик вида шихтовых материалов, работа которого основана на существенном различии электропроводности кокса и агломерата. При движении зонда вперед генерируется аналоговый сигнал в виде напряжения либо тока,который затем преобразуется в цифровой код с заданной дискретностью (как правило,50-100 мм). В результате дискретного преобразования образуется решетчатая функция, каждое значение которой характеризуется амплитудой ("кокс", "агломерат") и значением горизонтальной координаты. Горизонтальная координата сигнала определяется с помощью типовых датчиков линейного перемещения зонда,например,сельсинов.

Для получения вертикальной развертки структуры шихтовых материалов зондовая система выдерживает паузу,достаточную для того,чтобы шихта опустилась на 100-200 мм. Величина данной паузы, умноженная на скорость схода шихты,определяет вертикальную координату сигнала (решетчатой функции). Вертикальная скорость схода шихты определяется с помощью типовых вертикальных зондов, работающих паралелльно со сканирующей системой.

В результате многократных проходов горизонтального зонда образуется матрица элементов,каждый из которых характеризуется типом сигнала ("кокс" либо "агломерат"),а также значениями вертикальной и горизонтальной координат. На основе уравнений потока шихтовых материалов в шахте доменной печи данная матрица преобразуется в изображение структуры шихтовых материалов, геометрически подобное реальному.

Характеристики датчика вида шихтовых материалов

Датчик вида шихтовых материалов представляет из себя высокопрочный контактный узел,движущийся в слое шихтовых материалов.

При замыкании контакта коксом измерительная схема формирует сигнал типа "кокс" (например, 10 в ), а при замыкании датчика агломератом - типа "агломерат" (например, 0,1 в ),

На рис. d представлена запись аналогового сигнала, полученного на ДП N6 НЛМК ,09.1991 г. Сигнал имеет четко выраженные области кокса (кривая 3) и агломерата (кривая 5). Вкрапления кокса и агломерата характеризуются пиковыми изменениями сигнала (кривые 4 и 6), причем в ряде случаев имеющими промежуточную амплитуду. Последнее обстоятельство об'ясняется как инерционностью измерительного прибора, так и замыканием контактного узла сложной цепью из нескольких кусков кокса либо цепью из пылевидных коксовых фракций. Сигнал промежуточного типа может быть расшифрован при введении некоторого опорного уровня сигнала (опорного напряжения, прямая 2), ниже которого сигнал находится в области "агломерат", а выше которого - в области "кокс".При этом достоверность расшифровки сигнала носит вероятностный характер и интегральные характеристики измеренного слоя шихты приобретают тем большую точность, чем больше проведено измерений (проходов зонда). Опыт эксплуатации зондо-вой системы позволяет оценить минимальное количество проходов, при котором происходит стабилизация интегральных характеристик (например,рудной нагрузки измеренного слоя), в 20-30.Статистическая обработка сигнала датчика выявляет закон распределения уровня сигнала промежуточного типа как близкий к нормальному, при этом общая доля данного типа сигнала составляет около 25--30 у:/.,тогда как остальная часть в ?5-?0 У.У. предсталяет сигнал "чистого" вида - либо "кокс",либо "агломерат".

Лабораторные исследования датчика вида шихтовых материалов

Лабораторные исследования проводились для получения гра-дуировочной характеристики датчика при его работе в сложных смесях шихтовых материалов,

В шихтовом отделении доменного цеха формировался на металлической заземленной площадке слой шихтовых материалов из тщательно перемешанной смеси кокса,агломерата и окатышей. Компоненты смеси и ее фракционнный состав формировался в соответствии с загружаемой в печь шихтой. В смеси продвигался фрагмент реального зонда с датчиком вида шихтовых материалов.снабженным измерительной схемой. Проиводилось большое количество измерений для получения статистически достоверных данных для каждой фиксированной смеси.

Залисъ аналогового сигнала датчика вила пихтовых материалов (ДО N6 НЛМК, 09.09.1991)

Рис. \

Сигнал датчика гада шихтовых материалов, подученный при остановке печи (эксперимент по оценке воспроизво-

И, г ¡•кми««! I) ¿тимшичам 1 _ II и «мыш1Ы

0 .....1. 1 -$- 1 , .. . 3 л <

Рис. 1

Смеси шихтовых материалов формировались с шагом изменения об'ема кокса в 10 % (90% агломерата и окатышей и 10% кокса,80% агломерата и окатышей и 20% кокса и т.д.,вплоть до 10% агломерата и 90% кокса).

Полученная характеристика представлена на рис. 3 (кривая 2). По оси абсцисс отложены об'емные проценты кокса в смеси, по оси ординат слева -- процентная доля сигналов типа "кокс".полученных при большом количество испытаний (проходов) зонда в смеси. Текущий сигнал каждого прохода зонда дискре-тизировался с шагом 100 мм. Сигнал типа "кокс" идентифицировался при заданном постоянном опорном уровне сигнала. Справа по оси ординат отложена порозность слоя шихтовых материалов,зависимость которой от состава смеси взята по справочным данным (кривые 1). __

Характеристика имеет 3 специфические области Г- Ш Область Г характеризуется четко выраженными сигналами типа "агломерат" и "кокс" и измерение об'емов кокса и агломерата в измеренном слое носит статистически достоверный характер (для каждой смеси осуществлялось 30-50 проходов зонда,что давало в сумме 600-1000 сигналов при длине каждого прохода 2000 мм). В районе 5В % кокса в смеси происходит разрыв характеристики, связанный с скачкообразным возрастанием количества сигналов типа "кокс".

В дальнейшем данная деформация характеристики сохраняется вплоть до 90% кокса в смеси (при постоянном значении опорного напряжения).

Разрыв характеристики означает тенденцию слоя к приобретению высокой электропроводности при количестве кокса в смеси свыше 60 %. Причина заключается в смыкании отдельных кусков кокса в электропроводную коксовую решетку,в которой между кусками кокса размещаются агломерат и окатыши, (фиг.// на рис.3 Отклонение от идальной характеристики (кривая 3) происходит в сторону потери части_сигналов типа "агломерат" (заштрихованная область,область Ш ).

Неизбежность образования разрыва характеристики датчика вида шихтовых материалов подтверждается и известными кривыми порозности сложной смеси шихтовых материалов (кривые 1). Область разрыва практически совпадает с минимумом порозности слоя шихты,состоящей из кокса и агломерата. Данный минимум обусловлен предельно плотной упаковкой смеси, когда более мелкие фракции агломерата размещаются в межкоксовых пустотах.

Погрешность в определении об'емов кокса и агломе-

Градуировочная характеристика датчика вида шихтовых материалов

Рис. 3

-Z2~

рата при количестве кокса в смеси свыше 55-60 '/.У. компенсируется соответствующим изменением уровня опорного напряжение до 70-80 7.'/. от уровня сигнала типа "кокс".

Оценка воспроизводимости измерений производилась в промышленных условиях на ДП N5 ЧерМК. Предполагалось, что в неподвижном слое шихты при многократном прохождении зонда сигнал датчика вида шихтовых материалов не должен претерпевать существенных изменений при условии, что движущийся зонд не отклоняется существенно от горизонтальной оси зондирования под действием переменного механического сопротивления его продвижению в слое шихты.

На рис. 2. представлена запись сигнала, полученного при данном эксперименте. Зондирование производилось при полной остановке доменной печи, когда с помощью вертикальных зондов контролировалась неподвижность шихтовых материалов в течение 10 мин. За^то время зондовая система осуществила 7 проходов (фиг.Т- уп на рис. 2 ),показав удовлетворительное воспроизведение сигнала. Как и следовало ожидать, неустойчивость показаний датчика проявляется при идентификации вкраплений агломерата в слой кокса Си наоборот).

Математичекое обеспечение зондовой системы

Первичным результатом сканирования является матрица структуры шихтовых материалов (рис. Ч,Ф.3) каждый элемент (или узел координатной сетки) характеризуется значением решетчатой функции "кокс" либо "агломерат" ^¿^ , а также координатами этого элемента, причем:

где Xifj ; jfijj - координаты элемента шихтовых материалов, мм; Sx - размер элемента по горизонтали,мм; Jy. - размер элемента по вертикали,мм; ЬЪ -вертикальная координата оси зондирования,м; ti-время между двумя соседними стартами зондовой системы; Vj - скорость схода шихтовых материалов на уровне j-ro элемента,мм/с; i,j -индексы матрицы, имеющие физический смысл номера импульса (решетчатой функции) и номера прохода зонда соответственно.

Оценка воспроизводимости измерений

Начало координат сетки выбрано на пересечении центральной оси печи и линии верхнего уровня колошника. Размеры элементов , ¿у. являются переменными величинами, рассчитываемыми каждый раз заново при изменении параметров зондирования в соответствии с уравнениями потока. Скорость схода шихтовых материалов также является переменной величиной, рассчитанной по вертикали в ссоответствии с уравнениями потока, а по горизонтали - заданной эмпирическими соотношениями.

Результатом расчета по данной модели является изображение структуры измеренного слоя шихтовых материалов,геометрически подобное реальному, а также такие характеристики слоя как его рудная нагрузка и порозность, распределенные по радиусу. Рудная нагрузка Км(п,\) рассчитывается как:

где т - максимальное число проходов зонда: А^ об'емный элемент, заполненный агломератом,м3 './<<',/- об'емный элемент, заполненный коксом,м^ ;1Ъ4- насыпная масса агломерата,кг/м3 ;

ГОК-насыпная масса кокса,кг/мЗ -радиус шахты в пределах из-

меренного слоя шихты,мм.

Порозность измеренного слоя шихтовых материалов рассчитывается исходя из оценок кривых, описывающих изменение порознос-сти в функции от соотношения кокса и агломерата (рис. 3 , кривые 1 ) для зон с перемешанными коксом и агломератом, и как средневзвешенная от порозности кокса и агломерата для четко выраженных слоев. Данный способ оценки порозности носит оценочный характер. В настоящее время проходит лабораторные испытания новый датчик зондовой сканирующей системы для прямого измерения порозности в шахте доменной печи.

Промышленное зондирование доменных печей выяляет существенное размывание границ слоев шихтовых материалов,особенно в зонах загрузки окатышей, выбросы материалов при больших углах станций БЗН (39-42) и др. С целью анализа исходной слоевой структуры разработан математический аппарат сборки слоев шихтовых материалов на основе преобразования Фурье. Данное преобразование обладает идентифицирующим свойством в отношении случайных функций, со-

г-

(4* J

-Зо-

держащих в себе скрытую периодическую составляющую (в нашем случае чередование слоев кокса и агломерата).

Задача состоит в минимизации функционала вида: уп

р-- ^ (*/-«£ С*'

где <?/' - решетчатая функция, измеренная зондом и состоящая из последовательности значений "кокс" (выше опорного уровня) и "агломерат" (ниже опорного уровня); ^ (¡)~ пробная периодическая функция вида:

= + ¿Г (ь^Асо^-* ¿к и»Ж (5-0)

где коэффициенты Фурье:

т

- Щ. ¿у се>4 <4с-и>К-) (5/)

А /

2 • с/ {5г)

Минимум функционала

Г

отыскивли вариационным способом, вариьируя значение к. от / до т . Найденные коэффициенты Фурье и оптимальная частота определяют функцию , заново воспроизводящую слоевую структуру шихтовых материалов, причем:

£ = И0+ Ъ0 Сод /С0 С0о у + /о ко (¿>о • / {£3)

1-ре - онггг1гМО(>ЬНЬ1<°_ /ГоЭухричиенгпЫ }

если ^ > £/о , то элемент шихты определен как "кокс";

если и0 , то элемент шихты определен как "агломерат".

Полупериод периодической воспроизводящей функции имеет физический смысл толщины слоев кокса и агломерата.

На рис 5 представлены результаты сборки границ слоев шихтовых материалов (фиг. ). Как следует из рисунка, программа достаточно корректно идентифицировала слои материала, деформированные выбросом кокса к стенкам шахты при падении агломерата на слой кокса на 9 станции БЗН (42 град.). Сборка границ происходит по вертикальным линиям и материалы, переместившиеся наклонно при выбросах, будут помещены программой в то место, где они находились при измерении, а не в ту зону, откуда они были выброшены.

Контрольно-измерительная станция зондовой сканирующей системы (компьютерная графика)

2 октября 1992 г.

■III 1 ■■■■ 1 шшшшшшшш

0 12 3 4 5 0

Рис. Ц

~3Z-

Механическое обеспечение зондовой системы

Ревим многократных проходов зонда в шихте требует повышенной прочности корпуса зонда (трубы),повышенной надежности механического привода и особенно сальникового устройства. Требуется надежное выполнение контактного узла датчика шихтовых материалов, исключающее его ложное срабатывание (замыкание).

В течение 1991-93 гг. разработаны новые конструкции вышеназванных устройств.' Сальниковые устройства выпол-ненено с использованием принципа неподвижных "поршневых" колец и установлены на доменных печах ЧерМК, Сальниковые устройства выполняют также функцию охлаждения зонда.В течение всего периода экплуатации с 1991 г. по настоящее время сальниковые устройства обеспечивают надежную герметизацию шлюзов зондовых систем без ремонта и обслуживания.

Механический привод (тележка зонда) сконструтрован на основе "качающегося упора" и в настоящее время проходит испытания.

С участием кафедры теоретической механики и сопромата МИСиС выполнены сложные расчеты усилий,действующих на зонд при его движении в печи, на основе которых разработана концепция "гибкого" зонда. Усилия, действующие на зонд в печи, таковы, что попытки применять массивные круглые трубы бессмысленны. Оптимальным признан "гибкий" круглый зонд диаметром от 76 до 100 мм с толщиной стенки от 16 до 20 мм со специальным узлом, исключающим накопление усталости в зонде при его многократных проходах в шихте при его нагреве у основания до 400-500 "С (реальная установившаяся температура зон у основания при 30-40 проходах не более 200 С и на конце не более 600 °С).В настоящее время данные конструкции проходят испытания.

Датчик вида шихтовых материалов выполнен на основе современных жаростойких электроизоляционных материалов и жаропрочных сталей. Конструкция датчика позволила произвести зондирование зоны плавления доменной печи без его катастрофического разрушения. Лизнестойкость зонда (труба с датчиком) определена на основе опытных измерений в 200 проходов (7-10 сеансов зондирования по 20-30 проходов).

Промышленные испытания зондовой системы

Структура столба шихтовых материалов ДП N5 ЧерЫК (компьютерная графика)

1 2

з

0 Е

1 2

0 Е

1

2 Г

Высота 111111111111111111'11111111 *111 анализируемого лее

слоя шихты,м 0 12 3 4 5 6

Радиус шахты,м

Рис. 5

-зь-

Промышленные испытания зондовой системы в той или иной мере проходили на доменной печи N6 Новолипецкого металлургического комбината (09.1991 г.), на доменной печи N8 Магнитогорского металлургического комбината (03.1992 г.) и с 1991 г. по настоящее время на доменной печи N5 Череповецкого металлургического комбината, где зондовая сканирующая система реализована практически в полном об'еме. Система включает в себя собственно горизонтальный зонд с механическим приводом и датчиками вида шихтовых материалов и линейного перемещения зонда, шлюзовое устройство с сальником,типовые вертикальные зонды и контрольно-измерительную станцию на базе аналого-цифровых преобразователей МИКРОДАТ и персонального компьютера.

На рис. и рис. 5"-/4 представлена информация, выводимая на экран дисплея. На рис. Ц фиг.1 представляет индикатор движения зонда для текущего контроля его работы, фиг.2-сигнал датчика вида шихтовых материалов и фиг.З - матрицу структуры измеренного слоя. После окончания зондирования в работу включается программа диагностики хода доменной плавки. Рис, S - i4 представляют некоторые результаты диагностики. Фиг. jf на рис. <Г представляет результаты математического моделирования структуры слоев шихтовых материалов, фиг. /7 ^-результаты текущего измерения зондовой системой, фиг Г /// - результаты сборки границ слоев шихтовых материалов. На рис. 6 представлены результаты некоторых расчетов по программе диагностики (рудная нагрузка измеренного слоя (кривая ?), расчетная рудная нагрузка (кривая 8 ), порозность измеренного слоя (кривая 6), степень использования газа (кривая 5). Кривые 1,2 и 4 представляют состав газа-восстановителя (соответственно СО, СОг. и Н 2_ ). измеренные зондом DDS, находящимся ниве сканирующего зонда на з<?©£> мм. Кривая 3 представляет температуру газа, также измеренную зондом DDS.

Сравнение кривых 1-8 на рис. £ приводит к важным выводам с точки зрения оценки достоверности измерений, произведенных зондовой сканирующей системой:

- экстремумы степени использования газа и температуры газа с высокой точностью (+- 100 мм) совпадают с экстремумом рудной нагрузки (20 единиц). Поскольку эти измерения произведены аппаратурно независимыми средствами, следует сделать вывод о их взаимной достоверности:

- как показывает измеренная структура шихтовых материалов, расхождения измеренных и расчетных ожидаемых характеристик

Параметры работы доменной печи N5 ЧермК, полученные аппаратурно независимыми средствами измерения

Рис. 6

ЪО

20

10

I ■ ■■ I

-X' ч I \ I I I ^

N % ч I I 1

055

г

О,*

"Л

го

31

№

N

/ООО

1 1 1 1

у / ! V 1 Л ( -

1 ^ 1 г 1

Воо боо Чоо

о, 26

0,33

£ о, в/

<1-2«

0 1 2 3 4

Я, Л7

вызваны процессами, практически не поддающимися математическому описанию - в частности, выбросами кокса к стенкам печи при падении агломерата на слой кокса. В результате этих выбросов у стенки печи образовалась структура материалов с относительно высокой порозностью, расход газа в этой зоне превысил ожидаемый, что вызвало соответствующее снижение степени использования газа и повышение его температуры.

ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ РАБОТЫ ДОМЕНННХ ПЕЧЕИ

Программно-измерительный комплекс применялся для диагностики доменных печей NN 2,4,5 и 6 НЛМК и доменной печи N 5 ЧерМК. Выбор печей НЛМК обусловлен характерными режимами их работы- ход печи с умеренно развитым газовым потоком в центре для ДП N 6, периферийный ход для ДП NN 2 и 5 и центрально-периферийный ход печи с Н - образной зоной плавления для ДП N 4. Доменная печь N 5 ЧерМК была оснащена зондовой сканирующей системой для определения структуры шихтовых материалов.

Диагностика доменных печей НЛМК

В доменной печи N 6 НЛМК (рис. % ) при развитом потоке газа в центре печи на периферийных и в гребневых зонах создаются термодинамически благоприятные условия восстановления железорудных материалов, что в сочетании с достаточно большим временем пребывания материалов в шахте обеспечивает высокие степени косвенного восстановления в этих зонах - 90% в гребневой зоне и около 80 У. на периферии. В центре печи степень косвенного восстановления составляет 40-50 X. Вытянутая форма зоны плавления способствует образованию четко выраженных коксовых окон высотой 600 мм. Направление истечения газов в коксовых окнах существенно различается по высоте зоны плавления: в центре оно близко к вертикальному, в коксовых окнах вертикальная и горизонтальная составляющие массового расхода газа соизме-

,0

4

в

12

16

20

24

28

32

0

4

8

12

16

20

24

32

реззльтйта йншзй технологических режимов доменных печеи методом математического моделирования

CP) ш

2,3

2.5 4 / \

римы по величине. Теплоперенос имеет значительную величину горизонтальной составляющей в направлении от центра к стенке вахты. Достаточно низкое положение основания зоны плавления у стенок иахты обуславливает незначительные тепловые потери через стенки иахты за счет небольшой площади контакта коксовой насадки со стенками: эти потери на 10-15 7. меньше, у печи с периферийным потоком газов.

Доменная печь имеет 2-3 7. резерва производительности и 3-5 7. резерва снижения удельного расхода кокса до достижения термодинамического минимума (термодинамических ограничений) в периферийных и гребневых зонах. Данный резерв поглощается тепловым резервом доменной плавки, связанным с колебаниями теплового состояния (содержания в чугуне) и реально расход кокса может быть снижен только при условии стабилизации хода доменной печи.

На доменных печах N2 и N5 Н/ШК развит периферийный поток газов и зона плавления имеет и-образную форму. Несмотря на высокие удельные расходы газа, степени восстановления на периферии достигают значения лишь 60-70%. Распределение температур неблагоприятно с точки зрения тепловых потерь: изотерма 1600 И поднимается почти до середины шахты. Футеровка, с которой соприкасается коксовая насадка,испытывает большие термические нагрузки и тепловые потери на 10-15 7. выше, чем в предыдущем случае. Однако данный режим имеет некоторые преимущества по сравнению с режимом с развитым центральным потоком газов. Так истечение газов направлено от периферии к центру и вдоль стенок шахты. Так как зона плавления удалена от центра печи в радиальном направлении, она имеет большую площадь коксовых окон-до 400 м против 300 - 320 м для доменной печи с Ь-образ-ной зоной плавления. Следствием является низкая критичность газодинамики коксовых окон к деформации зоны плавления и в целом к ухудшению гранулометрического состава шихты. Тем не менее данные печи не имеют резервов по массовым скоростям газа в коксовых окнах (6-9 кг/м с) и работают на пределе по расходу дутья.

Доменная печь N4 работает с центрально-периферийным потоком газа и Н-образной зоной плавления. Развит центральный и периферийный потоки газа за счет его вытеснения из гребневой зоны. При этом в гребневой зоне образуется зона химического резерва, заполненная на протяжении 2-3 м вюститом и в которой газ достигает состава, близкого к равновесному. Несмотря на пологий температурный профиль данной зоны, яв-

ляющийся следствием "вырожденного" теплообмена, и низкие расходы газа-восстановителя, степени восстановления материала достигают в этой зоне 807. за счет большого времени пребывания материалов в сухой части шахты. Поскольку данная зона занимает около 602 от об'ема печи, именно она определяет общую эффективность ее работы :так, удельные расходы кокса этой печи и печи N6, работающей с умеренно развитым центральным потоком газа, примерно равны (около 436 кг/т чугуна при расходе природного газа 140 м /т чугуна).

Чисто геометрический фактор определяет большую площадь зоны плавления этой печи - около 500 м . Доменная печь в целом работает с высокими технико-экономическими показателями и имеет газодинамический резерв для повышения про-изводитеьности в 2-3% и практически не имеет резервов по снижению расхода кокса, так как при даже небольшом его снижении в гребневых зонах возникнет ограничение по восстановлению вюстита и степень косвенного восстановления в этих зонах (и в целом для печи) снизится. Развитие похолодания примет прогрессирующий характер.

Диагностика доменных печей НЛМК производилась в лабораторных условиях по данным нормальной эксплуатации доменных печей в середине и конце 80-х годов. Результаты диагностики докладывались и обсуждались на расширенном техническом совете в доменном цехе НЛМК с привлечением мастеров и газовщиков тех доменных печей, работа которых подвергалась дигностике. Все результаты диагностики были признаны технологическим персоналом цеха полностью достоверными. Результаты диагностики способствовали осмыслению преимуществ и недостатков различных режимов работы доменных печей. Вместе с тем технические возможности АСЫ доменными печами того времени не позволяли произвести диагностику доменной плавки в "темпе с процессом" в режиме реального времени, что снижало актуальность разработки. Такого рода работа была проделана на доменной печи N5 . ЧерМК, оснащенной в последние годы современной компьютерной системой, сбора и обработки информации.

Диагностика доменной печи N5 ЧерМК

Доменная печь N5 ЧерМК оснащена зондовой сканирующей системой для измерения структуры шихтовых материалов, ось зондирования которой расположена на расстоянии hz=4400 мм ( рис. J ) от верхнего уровня колошника. Ниже на расстоя-

нии 8000 нм от верхнего уровня половника расположен зонд фирмы DDS, предназначенный для измерения состава коловни -кового газа и его температуры по радиусу.

Содержательная часть диагностики и характера информации,пред'являемой технологическому персоналу на экране дисплея

Цикл зондирования начинается с работы зондовой сканирующей системы параллельно с работой зонда DDS. Работа зондовой сканирующей системы контролируется контрольно-измерительной станцией на основе компьютера невысокого класса (рис. Ц> компьютерная графика). Когда на матрице структуры пихтовых материалов (фиг.З на рис.</) проявляется 5-6 слоев шихтовых материалов, работа зондовой системы прекращается. Накопленная информация обрабатывается операционной (быстрой) программой диагностики и не более чек через 40-50 мин. результаты диагностики пред'являются на экране дисплея технологическому персоналу доменной печи и по компьютерной сети передаются руководству доменного цеха.

На экране дисплея пред'являются следующие результаты ди-^ агностики:

1. Структура столба иихтовых материалов в доменной печи и укрупненное изображение 5-6 слоев иихты на коловнике, полученные методом математического моделирования с помощью модели МИСиС (рис.компьютерная графика).

2. Структура столба иихтовых материалов (5-6 слоев) под осью зондовой сканирующей системы, полученная методом математического моделирования с помощью программного продукта иностранной Фирмы (фиг. Г на рис.5", компьютерная графика).

3. Структура иихтовых материалов, полученная прямым измерением с помощью зондовой сканирующей системы (фиг./{на рис,51 компьютерная графика).

4. Структура иихтовых материалов, полученная прямым измерени ем и подвергнутая математичкской операции сборки границ слоев, когда вкрапления шихтовых материалов перемещаются из "чужого" слоя в "свой" слой по линиям тока шихтовых материалов (фиг./£ на рис. 5", компьютерная графика).

5. Некоторые параметры процесса, полученные прямым измерением зондом DDS и которые служат для косвенной оценки взамной достоверности работы двух зондовых систем: состав колоанико-вого газа ССО.СОд, ,Hj_ ) и его температура (рис.б , кривые 1,2,

Резцльтатн диагностики доменной печи N 5 об'емом 5500 м ЧерМК (2.10.1992)

4 и 3 соответственно).

6. Некоторые расчетные характеристики поцесса: рддная нагрузка структуры шихтовых материалов, полученной моделированием (рис. 6.кривая 8); рудная нагрузка измеренной структуры (кривая 7); степень использования газа на уровне оси зонда DDS (кривая 5); порозность измеренного слоя материалов (кривая 6); распределение массовых скоростей газа и материалов по радиусу печи; распределение степени косвенного восстановления г по радиусу, распределение условного расхода топлива по радиальным зонам и др.

7. Разрез доменной печи в плоскости зондирования (рис.9 ) с изображением характерных изотерм шихтовых материалов, определяющих форму и положение зоны плавления: температуры начала размягчения материала (кривая 9) и температуры начала стенания жидких расплавленных материалов по коксовой насадке (кривая 7).

Линия <1> является осью сканирующего зонда, а линия <2>-осью зонда DDS. Верху в "окнах" помещно "избражение-напомина-ние" структуры шихтовых материалов,пролученной моделированием (окно "а") и прямым измерением (окно "Ь").

Слева (фиг.й) изображена оценка формы и положения зоны плавления, полученная с помощью программного продукта иностранной фирмы (кривая 7а). Поскольку юридическая правомерность представления данной информации в "чужой" информационной системе не подтверждена, в случае несогласия фирмы ее оценка будет заменена на соответствующую оценку, полученную по модели НИСиС, Данное замечание касается и пункта 2.

На том же рисунке представлены оценка формы и положения неподвижного коксового конуса 5, погруженного в жидкие продукты плавки; околофурменных зон 4, содержащих мелкие коксовые фракции; основные потоки газа (пунктирные стрелки) и материалов (сплошные стрелки); место отбора проб металла и шлака из зоны плавления 8; подвижные слои коксовой насадки 6, "стекающие" в фурменные очаги.

8. Диаграмма А.Риста, производящая интегральную оценку процесса, представлена на рис. П. Фиг.Тпредставляет

оценку работы печи печи в целом; фиг. ¡Г -оценку работы девяти радиальных кольцевых зон, образованных точками измерения состава и t-ры колошникового газа зондом DDS. Пред'является также диаграмма для кольцевых зон, образованных шагом сканирующего зондирования (около 60-и).

Общая оценка результатов диагностики

Спектрограмма пробы металла, извлеченного из зоны плавления доменной печи N5 ЧерМК

и

1200 \stl- ИЗ

1000 / ' .& / 1 1 1

8оо IV 113 'с !

Гр Т^ I ; ' | ! ' ! I I ■ 1 > ■ 1 . ■ 1 ■ >

н г' з н У 6"

стапь чугун

Ре, (Ме1/)

Рис. 40

1

о» I

Как следует из рис. Ч , 5,9, результаты математического моделирования структуры шихтовых материалов и результаты прямого ее измерения сканирующим зондом существенно различаются. В измеренном слое материалов существуют зоны выброса кокса к стенкам печи (фиг.4 рис..5~), границы слоев размыты и деформированы. Выбросы кокса к стенкам шахты создают повышенную газопроницаемость периферийной зоны за счет снижения газопроницаемости гребневой зоны. Данная зона вытесняет газ в центр,имеющий большой запас по газопроницаемости, и на периферию.

Данное распределение газа обуславливает специфическую форму зоны плавления, вытянутую высоко вверх в центре и поднятую на периферии вверх на 3000 мм от своего нижнего основания (кривые 7 и 9 на рис.3

Данная форма зоны плавления существенно отличается от той, которая получается при оценке структуры шихтовых материалов методом математического моделирования (кривая 7а). Зона плавления имеет экспоненциальную форму, в центре поднимается до середины шахты и не содержит приподнятых участков на периферии. Данная форма зоны плавления хорошо согласуется с оценкой структуры шихтовых материалов, полученной методом моделирования.

Достоверность определения зоны плавления на основе данных о структуре шихтовых материалов, полученных зондовой сканирующей системой, подтверждается результатами зондирования предполагаемой зоны плавления в верхних горизонтах доменной печи (рис.3 . Фиг.8). Зондирование осуществлялось сканирующим зондом. Зонд с датчиком вида шихтовых материалов, приспособленным для извлечения пробы металла и шлака, вводился в середину шахты. Датчик регистрировал чисто коксовую электропроводность данной зоны. Результаты спектрометрического анализа извлеченной пробы металла представлены на рис. -/О . Металл, извлеченный из печи, имеет губчатую структуру как следствие "кипения" на раскаленном коксе (прямое восстановление оксидов железа) и содержит включения первичного шлака и микрочастиц коксовой пыли. Спектрограмма содержит ярко выраженные пики свежевосстановленного Л и ^/3 -железа (6,4 и 7,05 е0 соответственно). Область 51 и Мп соизмерима с фоном, т.е. их содержание в пробе незначительно. Металл имеет содержание углерода около 2,5 7. . Зти и ряд других признаков указывают на то, что место извлечения пробы соответствует верхней купольной части зоны плавления, нижняя граница которой проходит несколько выше оси зондирования

Диагностика хода доменной печи (диаграмма А. Риста)

Рис.V/

(1-1,2 м), и температура материала здесь находится в пределах 1130-1200 С.

Общая диагностика работы печи производится с помощью диаграмм Й.Риста на основе известных правил. Диаграммы указывают на достаточно эффективную работу гребневых и промежуточных зон доменной печи (фиг.// на рис.¿^прямые 2 и 3) и на избыток тепла в центральных зонах (прямые 1). В целом печь работает с небольшим тепловым резервом по отношению к балансово-необ-ходимой теплопотребности нижней зоны (фиг. ( , т.4).

Результаты диагностики ДП N5 дважды"докладывались на техсовете доменного цеха, где была подтверждена их достоверность. В ноябре 1992 г, техсоветом цеха было принято решение об установке зондовой сканирующей системы на доменной печи К1, оснащенной современной информационной компьютерной системой.

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕЕИМОВ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ С УЛУЧШЕННЫМИ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИМИ ПОКАЗАТЕЛЯМИ

Разработка новых технологических режимов доменной плавки производилась для современных доменных печей об'емом 3200 и 5500 м , оснащенных БЗУ. В качестве прототипов использовались ДП N6 НЛМК и ДП N5 ЧерМК, выплавлявшие передельный чугун в условиях интенсивного хода.Условием моделирования было сохранение базовой производительности доменных печей, т.е. "запрещалось" снижать давление и расход дутья в случае возникновения газодинамических ограничений с последующим подвисанием. Исключение составил низкоинтенсивный режим работы доменной печи для выплавки низкокремнистого чугуна.

Целью разработок было изучение возможности частичной замены высококачественного кокса его мелкими фракциями.

Обоснование цели исследования

Замена кокса его мелкими фракциями базируется на следующей концепции, сформированной на основе моделирования, результатов сканирующего зондирования доменной печи N5 ЧерМК, результатов исследования охлажденных доменных печей и уникальных результатов зондирования зоны плавления на работаю-

~У 7-

щих доменных печах, полученных во Франции и Японии: -доменные печи имеют определенный газодинамический резерв в сухой части шахты. Лимитирующим звеном газодинамики являются массовые скорости газа в коксовых окнах, превышение которых свыше критических значений в 6-8 кг/м с вызывает выбросы вскипающего шлака из коксовой насадки в коксовое окно с последующим прогрессивным развитием подвисания печи;

- для доменных печей большого об'ема с центральным ходом критические значения газопроницаемости (порозности) шихтовых материалов (в том числе и коксовых окон в зоне плавления) существенно различаются по зонам печи. Достаточно низкая критичностьть к снижению газопроницаемости свойственна радиальным зонам, находящимся над фурменными очагами. При снижении порозности данной зоны происходит перераспределение газового потока в центральные зоны печи, поскольку те имеют значительный резерв по газопроницаемости. Перераспределение газа в центр печи способствует вытягиванию зоны плавления вверх к колошнику и увеличению общей площади коксовых окон - оба этих фактора действуют в сторону улучшения газопроницаемости центральной зоны, компенсирующего увеличение расхода газа. При сканирующем зондировании ДП N5 ЧерМК выявлена характерная зона (рис. 5", <р"г.из которой кокс выброшен к стенкам печи при падении агломерата и окатышей на коксовый слой. С учетом деградации фракционного состава шихты

по мере ее опускания вниз данная зона обладает исключительно низкой газопроницаемостью. Вытеснение газа в центр печи способствовало вытягиванию зоны плавления вверх, так что ее вершина находится на расстоянии 2-3 м от уровня засыпи, что подтверждаетя пробой металла и шлака, извлеченной из зоны плавления на расстоянии 4 м от уровня засыпи (рис. 9 ).

- зоны с выброшенным к стенкам печи коксом, гребневые зоны с высокими значениями рудной нагрузки способствуют деградации фракционного состава кокса вследсвие интенсивного протекания реакции газификации в данных зонах. Моделирование процессов.тепломасообмена выявляет существенное отличие интенсивности реакции газификации кокса в зависимости от типа радиальной зоны. Менее всего данная реакция развита, несмотря на высокие температуры газа и кокса, в центральной зоне из-за низких концентраций СОг. в газе. Наибольшее развитие реакция газификации получает в зонах со средними значениями

ог-

радных нагрузок ( 4-6 ед.), где наблюдаются достаточно высокие температуры и концентрации СО2 , В гребневых зонах и в зонах с выброшенный коксом наблюдается вырожденный тип теплообмена при отсутствии зоны термического и химического резервов, вследствие чего реакция газификации, несмотря на высокие концентрации СО 2. , из-за низких температур не развита и приобретает высокую скорость лишь в нижних горизонтах печи при подходе шихты к зоне плавления. Таким образом, даже качественный кокс, загруженный в данные зоны, при подходе к зоне плавления будет с большой вероятностью содержать значительную долю мелких фракций.

-уникальные результаты зондирования зоны плавления доменных печей с целью извлечения проб материала, осуществленные в последние годы во Франции и Японии, указывают на существенную деградацию кокса в гребневых зонах, которые располагаются как правило над фурменными очагами. В районе фурменных очагов выявлены специфические зоны, состоящие из кокса мелких фракций (-10 мм) и коксовой пыли (-3 мм), образованные как коксовой мелочью, пришедеией сверху, так и мелочью, образовавшейся в фурменном очаге в процессе горения и циркуляции кокса.

Основные результаты исследования

Из всего многообразия исследованных режимов ниже представлены три наиболее характерных:

-режим с умеренно развитым центральным потоком газов и с L - образной формой зоны плавления, близкий к тому,в каком работала ДП N6 НШ;

-интенсивный режим работы доменной печи с развитым центральным потоком газов и вытянутой высоко вверх L-об-разной зоной плавления,близкий к тому, в каком работала ДП N5 ЧерМК;

-низкоинтенсивный режим работы доменной печи с пологой и низкорасположенной зоной плавления, предназначенный для выплавки низкокремнистого чугуна с низким расходом топлива,близким к термодинамическому .пределу. Промышленный отечественный аналог режима не найден.

Системы загрузки доменных печей формировались таким образом, чтобы можно было обеспечить вариацию толщины коксовых слоев от 500 до 2000 мм, и вариацию размеров коксовой отдушины в центре печи от 0,06 до 0,2 диаметра колошника. Данные характеристики являются важнейшими параметра-

-4.9-

ми процесса, во многом определяющим его газодинамику. Обоснование пределов высоты коксового слоя

Нижний предел толщины коксового слоя в 500 мм обусловлен тем, что слоевая структура шихты должна сохраниться до зоны плавления и обеспечить возмояность истечения газов через коксовые окна при относительно низком газодинамическом сопротивлении. При толщине слоев менее 500 мм в нижнюю зону печи поступает неупорядоченная смесь материалов, коксовые окна в зоне плавления отсутствуют и газ фильтруется через проходы в оплавленной пластичной смеси кокса и агломерата. Более или менее интенсивный ход печи в такой ситуации невозможен. При толщине коксового слоя меньше 500 мм массовые скорости газа приобретают значения близкие к критическим, при которых происходит выброс шлака в коксовые окна с последующим прогрессирующим развитием подвисания.

Верхний предел обусловлен-недопустимо высокими колебаниями 51 в чугуне, обусловленными периодическим разогревом печи при горении мощных слоев кокса на фурмах. Амплитуда данных колебаний кремния, определенная с помощью амплитудно-частотной характеристики печи, достигает +- 0,12 У. при толщине косового слоя 2000 мм, массовая скорость газа на входе в коксовое окно составляет 3,85 кг/м с.

Обоснование величины коксовой отдушины в центре печи и пределов замены кокса его мелкими фракциями

При малых значениях величины коксового канала - менее 0,06 диаметра колошника - расходы газа в центральной части зоны плавления и в районе рудного гребня приобретают критические значения в 6-10 кг/м с, что вызывает выброс шлака в сухую часть шахты и подвисание печи. Дальнейшая работа возможна при снижении базовой производительности печи на 5-10 У. .

При величине коксовой отдушины более 0,2 диаметра колошника массовая скорость газа достигает в центре печи 50-60 кг/м с,что обуславливает температуру колошникового газа в цен-ральной зоне около 1200 С и расположение верхней части зоны плавления на расстоянии 1-2 м под уровнем засыпи (т.е. зона плавления прикрыта одной-двумя подачами). Особенностью режима является также вырожденный теплообмен в периферийных зонах и низкое расположение основания зоны плавления в области рудного гребня (почти касается фурменных очагов). Вместе

с тем степень восстановления шихты достигает на периферии высоких значений 80-90 У.У. за счет большого времени пребывания материалов в сухой части вахты. Данный режим может иметь ограничения по стойкости элементов БЗУ (лотка и редуктора) из-за высокой температуры колошникового газа в центре печи и из-за высокой степени риска при непредвиденном -похолодании печи (опускание основания зоны плавления в фурменные очаги).

Рассчитанный в 80-х годах для условий НЛМК, данный режим был в 1992 г, идентифицирован на доменной печи N5 ЧерМК (рис. $ ).

Пределы замены высококачественного кокса его мелкими фракциями определены в пределах от 0,5 до 40 У. . При этом коксовая мелочь "загружалась" в смеси с агломератом. Нижний предел обусловлен ограниченной чувствительностью методики моделирования, дающей практически одинаковые результаты в пределах замены кокса от 0 до 0,5 У. .Верхний предел обусловлен резким снижением порозности слоев агломерата в смеси с коксовой мелочью (достижение плотной упаковки фракций), уменьшением размеров коксовых окон и общим снижением газопроницаемости столба шихтовых материалов.

Результаты моделирования базовых режимов доменной плавки с частичной заменой кокса твердотопливными добавками

Наиболее показательны результаты моделирования при замене 10 У. кокса его мелкими фракциями (-25 мм) в смеси с агломератом, обладающим удовлетворительными металлургическими свойствами. Исследовались термодинамические ограничесния, газодинамические и теплообменные процессы без рассмотрения поведения мелких фракций кокса в коксовой насадке. В качестве аналога использована ДП N6 НЛМК.

Доменная плавка с интенсивным центральным потоком газов

Режим с диаметром коксовой отдушины 2,2 м (рис.12,а) ни в одной из зон не имеет газодинамических и темодинамических ограничений. Вместе с тем в гребневых и периферийных перегруженных зонах возникают условия вырожденного теплообмена с пологим температурным профилем без зоны термического резерва. Данные зоны характеризуются интенсивным развитием

о

4

8

12

ie

20

24

28

32

О

4

8

12

16

20

24

28

32

РЕЗУЛЬТАТ» ЙНПЛИЗА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШОВ ДОМЕННЫХ ПЕЧЕЙ МЕТОДОМ ИЙТЕШИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Dur AI

реакции газификации в нижних горизонтах сухой части шахты и значительным теплопотреблением. При непредвиденном похолодании печи периферийные зоны могут опустиься в фурменный очаг -данное обстоятельство требует поддержания определенного теплового резерва, что поглотит часть кокса, сэкономленного за счет его замены мелкими фракциями.

Периферийные и гребневые зоны имеют высокие степени восстановления материалов, что об'ясняется большим временем пребывания шихты в сухой части шахты. Эти зоны работают с низким условным расходом кокса и обеспечивают в целом высокозкономичный ход процесса с расходом кокса 436 кг/т чугуна при расходе природного газа 140 м /т чугуна. Как уже упоминалось выше, близкий к данному расчету режим был диагностирован на ДП N5 ЧерМК (рис. ) со всеми присущими ему особенностями, отмеченными выше.

Общей характеристикой режима является его низкая критичность к фракционному составу шихтовых материалов и определенный риск загромождения фурменных очагов пластичными материалами зоны плавления при похолодании печи. При условии поддержания разумного уровня теплового резерва (в 0,6-0,7 У. Si в чугуне) режим является высокоэкономичным при коэффициенте замены кокса его мелкими фракциями от 0,4 и выше.

Низкоинтенсивная доменная плавка с равномерно распределенным газовым потоком

Доменная печь имеет пологую (почти горизонтальную) зону плавления, размытые коксовые окна и при базовом расходе дутья 5000 м /мин находится в сотоянии подвисания. Массовые скорости газа при этом во фрагментах коксовых окон имеют величину 20-21 кг/м с, в 2-3 раза превосходящие критический предел. Приемлемые массовые скорости в коксовых окнах устанавливаются при примерно удвоенном снижении базовой производительност! с 7200 до 4000 т чугуна в сутки (рис. /3 ). При этом режим обладает благоприятными термодинамическими условиями и степень восстановления материалов при подходе к зоне плавления достигает 80 У. по всему радиусу печи. Данный эффект об'ясняется большим временем пребывания материалов в доменной печи (10 часов), когда, несмотря на замедление реакций ввиду вырожденного теплообмена в п%чи, временной фактор превалирует над температурным.

Характерной особенностью режима является равномерное распределение условий восстанов!)гения по радиусу печи, в том числе

и в коксовой насадке. Зона плавления занимает исключительно низкое положение. Данный фактор благопрятен с точки зрения получения низкокремнистого чугуна и неблагоприятен с точки зрения полного отсутствия теплового резерва. Поскольку степень восстановления кремния полностью зависит от высоты стекания шлака в коксовой насадке, данный режим обуславливает по данным моделирования яидкофазного восстановления среднее содержание 51 в чугуне 0.1-0.12 '/:/. .

Общей характеристикой режима является его исключительная экономичность при условии теплового резерва в 0.1 У. 51, когда расход кокса близок к термодинамическому пределу (достигается равновесие газовой фазы с ввститом) и составляет 440 кг/т чугуна при атмосферном дутье с влажностью 4-6 У. без вдувания природного газа.

Отрицательным моментом является риск опускания зоны плавления на фурмы при даже незначительном похолодании печи и разрушение при этом неподвижного коксового конуса.

Промышленных отечественных аналогов данного режима не найдено. По данным зарубежных источников, подобные режимы осуществлены на практике, однако данные для их диагностики и моделирования отсутствуют.

Доменная плавка с умеренно развитым центральным потоком газов

При диаметре коксовой отдушины 0,9-1,5 м ни в одной из зон печи на возникает термодинамических, газодинамических и кинетических ограничений. Расход кокса составляет 420 кг/т чугуна при расходе природного газа 140 м /т чугуна. Режим имеет резерв по производительности в 6-10 У. , при использовании которого в коксовых окнах гребневой зоны возникают критические массовые скорости в 14-20 кг/м с.

В доменной печи формируется куполообразная Форма зоны плавления (рис. 8 ), что обеспечивает в периферийных и гребневых зонах высокую степень восстановления шихты в 80-90 У. за счет благоприятного сочетания кинетического и термодинамического факторов.

Режим характеризуется благоприятным распределением температур в шахте печи. За исключением гребневой зоны, температурные профили шихты имеют пологую зону термического резерва. Градиент температур направлен от центра печи к стенке шахты, что предохраняет футеровку от термических перегрузок.

В целом данный режим характеризуется благоприятным сочетанием

газодинамического, кинетического и термодинамического факторов и по сравнению с первыми двумя режимами отличается невысокой степенью риска и возможностью дополнительной экономии кокса за счет снижения теплового резерва.

Доменная плавка с периодической импульсной

загрузкой кокса

Нижеследующие режимы доменной плавки разработаны с целью компенсации общего ухудшения газопроницаемости шихты при замене кокса 10 2-ми коксовой мелочи. Импульсная загрузка кокса означает такой режим плавки, когда из текущих 10-12 подач извлекается такое количество кокса, чтоб можно было сформировать мощный коксовый слой толщиной около 2000 мм и загрузить его в печь в виде "холостой подачи". Таким образом, во всем об'еме печи образуется 5-6 таких слоев, при этом в области зоны плавления находится не более одного слоя.

На модели был сформирован режим работы с умеренно развитым центральным потоком газов и затем режим с импульсной загрузкой кокса. При этом рассматривали два случая, когда мощный коксовый слой находится на вершине зоны плавления и затем в ее середине,

В обоих случаях наблюдается улучшение газодинамических характеристик плавки в области зоны плавления, которая не содержит ни одного коксового окна с критическими значениями массовых скоростей газов. Однако картина распределения потоков газа существеено различается в первом и во втором случае. В первом случае (мощный коксовый слой на вершине зоны плавления) тонкие слои кокса в коксовых окнах вытесняют газовый поток к центру, где мощный коксовый слой имеет низкое газодинамическое сопротивление. Данная область начинает разогреваться и зона плавления имеет тенденцию к вытягиванию вверх, проникая сквозь мощный коксовый слой и поглощая вышележащее слои.

Во втором случае ( через 1,5-2 часа после прихода мощного коксового слоя на вершину зоны плавления ) мощный коксовый слой, находящийся в середине зоны плавления распределяет часть газового потока к периферии. При этом резко сокращается газовый поток, проходящий через вершину зоны плавления, и эта область начинает охлаждаться. Такое влияние мощного коксового слоя тем больше, чем ниже он опускается. Площадь его коксового окна возрастает от 10 до 80 м и через это окно проходит около четверти

всего газового потока. И момента срабатывания этого окна на фурмах вершина зоны плавления несколько опускается вниз, а ее основание поднимается на 1-1,5 м вверх. К этому моменту к вершине зоны плавления приходит очередной мощный коксовый слой.

'Таким образом, газовый поток периодически распределяется от центра к периферии и обратно с периодом в 6-12 подач (60-75 мин). Данный пульсирующий решим обладает резервом производительности в 6-10 % и низкой критичностью к качеству сырья.

В целом режим характеризуется устойчивым тепловым состоянием доменной печи. Реализации содержания кремния в чугуне содержат периодическую составляющую небольшой амплитуды (+-0,1%) с периодом импульсной загрузки кокса.

Опытные плавки с импульсной загрузкой кокса произведены на доменных печах N4 Коммунарского металлургического завода в 1978 г. , N1 Криворожского металлургического комбината в 1979 г., где данный режим использовали для опре-.деления амплитудно-фазовых характеристик доменной печи. На доменной печи N5 Череповецкого металлургического комбината использовали циклическую загрузку мощного коксового слоя ("коксовой подушки") через 16 подач в конце 80-х - начале 90-х годов.

Доменная плавка с загрузкой коксовой мелочи в гребневую зону столба шихтовых материалов для ее транспортировки в фурменные очаги

Вышеописанная методика моделирования не может дать ответ на поведение мелкофракционных заменителей кокса в зоне плавления и в коксовой насадке. Моделирование яидкофазного восстановления в коксовой насадке дает приближенные данные о скорости срабатывания углерода кокса при стекании жидких продуктов плав-кп вниз. Однако и в этом случае не удается уверенно разделить, какая доля сработанного кокса приходится на подвижные слои кокса и какая на неподвижный коксовый конус. Последний играет важнейшую роль в поддержании высокой фильтрационной способности коксовой насадки и эта способность по возможности не должна нарушаться при загрузке мелких коксовых фракций в печь.

В то же время можно предположить, что район фурменных очагов (под очагами и в непосредственной близости около них) некритичен к присутствию коксовой мелочи и даже коксовой пыли (-3 мм.). Как уже было показано выше, гребневые зоны

Структура столба шихтовых материалов ДП N5 ЧерМК (загрузка 6 т коксовой мелочи на 6-ую станцию БЗУ)

Рис. Ц

шихтовых материалов, опускающиеся в фурменные очаги, концентрируют ряд факторов, способствующих фракционной деградации кокса г интенсивное протекание реакции газификации кокса, усиленное перемешивание материалов вблизи стенок шахты и их истирание, графитизация кокса в шахте печи и приобретение им дополнительной хрупкости, горение и циркуляция кокса в фурменном очаге.

Часть кокса, не успевшая сгореть в фурменном очаге, может быть выброшена из очага и в виде мелких и пылевидных фракций отложиться под фурменным очагом и вблизи него в радиальном направлении. Поскольку в стационарном состоянии нарушения фильтрующей способности коксовой насадки не происходит, моано предположить, что процессы накопления коксовой мелочи в коксовой насадке и ее срабатывание жидкими продуктами плавки носят также стационарный характер, т.е. скорости этих процессов примерно равны.

Результаты зондирования зоны плавления доменных печей, осуществленные во Франции и Японии в последние годы, указывают на наличие вокруг фурменных очагов зон, состоящих из коксовой мелочи. Вышеизложенные соображения и результаты зондирования (в том числе сканирующее на ДП N5 ЧерМК) позволяют сделать следующие выводы:

1,Узкие (от 1,5 до 2 м) гребневые зоны с низкой газопроницаемостью не лимитируют газодинамические процессы

в шахте доменной печи, особенно в доменных печах с интенсивным центральным потоком газов.

2, Гребневые зоны и зоны с выброшенным к стенкам коксом концентрируют в себе ряд факторов, способствующих усиленной фракционной деградации кокса.

3, Данные зоны, транспортирующие деградированный кокс в фурменные очаги, не лимитируют фильтрующие свойства коксовой насадки по факту стацинарной устойчивой работы печей и по факту концентрации коксовой мелочи (включая коксовую пыль)

в районе фурменных очагов.

4, Загрузка коксовой мелочи в гребневую зону доменной печи, транспортирующую эту мелочь в фурменные очаги, не должна вызвать нарушения фильтрующей способности коксовой насадки

по факту неизбежной фракционной деградации даже высококачественного кокса, загруженного в данную радиальную зону.

5, С целью гарантированного сохранения устойчивой газодинамики в других радиальных зонах печи (особенно в центральной зоне для печей с центральным потоком газов) и с целью поддержания фильтрующих свойств коксовой насадки загрузку кок-

совой мелочи в доменную печь следует производить в виде концентрированного кольцевого микрооб'ема в такую радиальную зон которая обеспечила бы ее транспортировку в район фурменных очагов. Ширина данной кольцевой зоны, содержащей коксовую мелочь, не должна превышать ширину зоны, которую образует коксовая мелочь и коксовая пыль вокруг фурменого очага.

На рис. представлены результаты моделирования

потока шихтовых материалов в ДП Н5хЧерМК с целью подбора такого режима загрузки, который бы гарантировал транспортировку коксовой мелочи в фурменные очаги (4). В данном случае коксовая мелочь (3) загружалась в составе коксовой подачи (2) на 6-ую станцию БЗЗ (42 град.), в количестве 6 тонн в подачу при рбщей величине коксовой подачи в 26 т. В модели подвижные слой кокса (6) движутся по образующей неподвижного коксового конуса (7) в фурменные очаги (4). В центральную зону, почти целиком занятую зоной плавления (?), загружается высококачественный кокс.

Данный режим не имеет газодинамических, кинетических и термодинамических ограничений и распределение параметров полностью отвечает плавке с интенсивным центральным потоком газов (рис./2). Загрузка коксовой мелочи была осуществлена на ДП N5 ЧерМК в промышленных условиях 12-14 июля 1993 г.

В общей сложности в доменную печь было загружено на 6-ую станцию БЗН 272 т коксовой мелочи, 50 У. которой составляля фракция (-10 мм). На рис. У¿Г представлена структура столба шихтовых материалов доменной печи в этот период. Порция коксовой мелочи составляла в среднем 6 т и загружалась через подачу. Печь в этот период работала в условиях перебоев с поступлением природного газа и кислорода на фурмы, из-за чего на печи был создан повышенный тепловой резерв (до 0,91 У. 51) на время эксперимента. В течение плавки с загрузкой коксовой мелочи на печи не было отмечено нарушений газодинамики и каких-либо отрицателных явлений на фурмах и на выпусках. Вместе с тем кратковременный период испытаний не может дать ответ на вопрос об эффективности данного режима и влиянии коксовой мелочи на состояние коксовой насадки. С учетом того, что оценка времени полного обновления неподвижного коксового конуса, срабатываемого жидкими продуктами плавки, составляет около двух недель, длительность эксперимента должна быть от одного до нескольких месяцев. Ввиду очевидной кратковременности опыта и нестационарных условий плавки подробная диагностика работы печи за

Загрузка кокса мелких фракций Ф<25 мм в доменную печь N5 ЧерМК (6-13 тонн на 6-ую станцию БЗУ через подачу, 13.07.1993 г.)

Рис. 45"

этот период не проводилась.

ПРИМЕНЕНИЕ ПРОГРАММНОГО КОМПЛЕКСА ДЛЯ РАЗРАБОТКИ ТРЕНАЖЕРОВ И ОБЗЧАЙЩИХ ПРОГРАММ

Обучающая программа "Тренажер мастера доменной печи"

Программа включает в себя разделы:"Тренажер", "Справка","Блок настройки","Ручное управление","Автоматическое управление"."Динамика","Управление в реальном времени", "Статистика". Всего программа реализует более пятидесяти режимов доменной плавки: устойчивый и неустойчивый ход доменной печи, доменная плавка с коррекцией массы кокса в подачу по влажности и без коррекции, с включенным и выключенным регулятором температуры горячего дутья, и др. С помощью блока настройки программа может быть адаптирована к любой реальной доменной печи и к ее технологическому режиму.

С помощью данного программного комплекса можно осуществить следующие этапы обучения: -изучение динамических характеристик доменной печи по каналам управления тепловым состоянием; -управление тепловым состоянием доменной печи вручную так, как это делает оператор доменной печи; -управление тепловым состоянием доменной печи в а в-томатическом режиме.

Для управления в реальном времени используется программа выдачи рекомендаций персоналу доменной печи на изменение массы кокса в подачу и на изменение влажности горячего дутья. Эти рекомендации рассчитаны таким образом, что они обеспечивают уменьшение колебаний содержания кремния в чугуне, снижение теплового резерва доменной печи и уменьшение расхода кокса при допустимом содержании серы в чугуне.. Программа рассчитана на применение в промышленных условиях на доменной печи (или печах), если там будет установлен персональный компьютер или какая-либо иная вычислительная система. Эта же программа позволяет оператору проверить свои действия (или рекомендации), если он в них сомневается: для этого достаточно ввести регулирующие воздействия в компьютер и посмотреть, каков будет результат. Если результат не устраивает оператора, он может от рекомендаций либо отказаться, либо подыскать в диалоге с компьютером приемлемый вариант

регулирующего воздействия. Подбору рекомендаций способствует выдача на экран графика прогноза содержания кремния в чугуне на 6-8 часов вперед.

Все режимы работы программного комплекса содержат выход на подпрограмму для анализа работы технического персонала доменной печи по стабилизации содержания кремния в чугуне, по снижению теплового резерва и по уменьшению расхода кокса. Результаты работы технического персонала доменной печи сравниваются во-первых с ситуацией неуправляемого хода доменной печи за любой истекший период времени (сутки, смену и т.д.). Неуправляемое исходное состояние доменной печи восстанавливается за анализируемый период времени с помощью динамической математической модели доменного процесса. Эта операция позволяет оценить, насколько эффективны действия оператора и каков характер его ошибок (как минимальная задача, оператор не должен своими действиями ухудшать неуправляемую ситуацию). Во-вторых, действия оператора сравниваются с ситуацией автоматического управления печью за анализируемый период. Это позволяет оценить, насколько действия оператора близки к идеальный (или далеки от них, несмотря на достигнутый частичный успех).

Исходные данные в виде химического состава чугуна, состава подачи, химического состава шихты, динамических характеристик каналов управления и др. вводятся с пульта персонального компьютера. Если используется вычислительная система с автоматическим сбором информации на доменной печи, большая часть данных может вводиться автоматически.

Пример работы программы представлен на рис. /%, изображающем реализации Б! в чугуне (нижний график) и управляющие воздействия (верхний график).

Учебно-диагностический программный комплекс для анализа процессов тепломассообмена в доменных печах

Учебная программа включает в себя три самостоятельных раздела: "Тренажер", "Управление ДП" и "Тест",

В разделе "Тренажер" размещена обучающая программа, с помощью которой можно выполнить следующие этапы обучения: -изучение термодинамики и стационарного массообмена процесса восстановления оксидов железа в шахте доменной печи;

изучение процессов теплообмена между газом и шихтой

в шахте доменной печи;

-изучение кинетики восстановления оксидов шелеза в шахте доменной печи.

В разделе "Управление ДП" содержится программа, позволяющая определять форму и положение зоны плавления работающей доменной печи в плоскости зондирования и на этой основе осуществлять контроль радиального и окружного газораспределения, оценивать эффективность восстановительной работы газа-восстановителя в каждой из кольцевых радиальных зон, интенсивность теплопередачи конвекцией и характер теплопотребления в радиальных кольцевых зонах и в нижней зоне доменной печи (в коксовой насадке).

В разделе "Тест" размещена программа, решающая тестовый вариант задачи по определению параметров доменного процесса в плоскости зонда.

Программный комплекс позволяет определять следующие величины:

1. Распределение степеней восстановления (металлизации) и минералогического состава шихтовых материалов в пространстве шахты доменной печи в плоскости зондирования.

2. Распределение окисленности газа-восстановителя и его состава в пространстве шахты доменной печи в плоскости зондирования.

3. Распределение температур материала и газа в пространстве шахты доменной печи в плоскости зондирования.

4. Положение и форму зоны когезии доменной печи в п л о с кости зондирования.

5. Термодинамические и кинетические карактеристики процесса восстановления шихтовых материалов в шахте доменной печи.

6. Структуру столба шихтовых материалов.

Ичебно-диагностический комплекс для анализа процессов тепломассообмена в шахтных печах для металлизации окисленных окатышей (Мидрекс-процесс)

С помощью данного программного комплекса можно выполнить следующие этапы обучения: -изучение термодинамики и стационарного массообмена процесса восстановления оксидов железа в шахтном реакторе;

-изучение процессов теплообмена между газом и шихтой в шахтном реакторе;

; Рис. у<Г

Результаты работы программы по стабилизации теплового состояиия доменной печи (компьютерная графика)

¿з, К'л >

' ' ' '_1_1_' ' 1 ■_|-Л_1_1_[_1_1—1_1—1—1 1 М Тенщиция Ш <—> Пена делеиня'.8,25У

% 5!.

N , 1 1 , ,1,1..1,„

в Сиена 1 8 Смена 2 со Снена 3 24

Рис. и

-изучение кинетики восстановления оксидов железа в иахтном реакторе газовыми восстановительными смесями.

Обучающие программы выполнены на основе современных математических моделей процессов тепломассопереноса в слое материалов в противотоке и позволяют приобрести необходимые навыки для управления промышленными шахтными Мвд-рекс-реакторами.

В разделе "Управление реактором" содержится программа, позволяющая производить поиск минимального расхода газа-восстановителя и приемлемой производительности для заданной (оптимальной) степени восстановления металлизован-ного продукта. Область поиска соответствует современным технологическим реаимам работы шахтных реакторов.

В разделе "Тест" размещена программа, решающая тестовый вариант задачи по определению параметров процесса металлизации в шахтном реакторе. Тестовая задача воспроизводит типичный технологический режим металлизации окисленных окатышей. Промышленный аналог тестовой задачи-Мидрекс-процесс в шахтных печах Оскольского электрометаллургического комбината.

Программный комплекс позволяет определять следующие величины:

1. Распределение степеней восстановления (металлизации) и минералогического состава шихтовых материалов в пространстве шахтного реактора.

2. Распределение окисленности газа-восстановителя и его состава в пространстве шахтного реактора.

3. Распределение температур материала и газа в пространстве шахтного реактора.

4. Производительность реактора по готовому продукту и химический состав готового продукта.

5. Термодинамические и кинетические карактеристики процесса восстановления шихтовых материалов восстановительной газовой смесью.

Пример работы программы представлен на щс.^6, изображающем изменение оксидных фаз железа по высоте реактора, изменение окисленностей газа и шихты (нижние графики), температурные профили газа и материала, тепловые эффекты реакций в газовой и в твердой фазах (верхние кривые).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

i. Разработана, сконструирована, снабжена программным обеспечением и сдана в эксплуатации на ДП N5 ЧерМК зондо-вая сканирующая система для прямого измерения структры пихтовых материалов в жахте доменной печи, не имеющая в настоящее время мировых аналогов , Произведена оценка градуировочной характеристики датчика вида шихтовых материалов в шихтовых условиях доменного цеха ЧерМК. Обнаруженная область разрыва данной характеристики и прилегающая к ней область деформации компенсируется оптимальным уровнем опорного сигнала датчика в 70-80 X от уровня сигнала " кокс". Разработанное сальниковое устройство, работающее на принципе неподвижного поршневого кольца. обеспечивает высокую герметичность «люзового узла и в течение последник двух лет эксплуатируется без ремонта и обслуживания. Привод зондовой системы, разработанный на принципе "качающегося" упора, обеспечивает плавный ход зонда и обладает высокой износоустойчивостью. С участием кафедры сопротивления материалов МИСиС разработан принцип "гибкого" зонда без накопления усталости в корпусе при многократных проходах зонда в шахте печи.

2. С помощью зондовой сканирующей системы впервые в практике доменного производства получены плоские изображения структуры «ихтовых материалов в плоскости зондирования в шахте доменной печи. Зондирование доменной печи позволило обнаружить зоны из смеси кокса и агломерата, динамические выбросы кокса на стенки шахты при падении на него агломерата и окатышей, деформации слоев кокса

и др. Разработано не имеющее аналогов математическое обеспечение зондовой системы, позволяющее преобразовать сигнал датчика зонда в изображение структуры шихтовых материалов, произвести математическую операцию сборки границ слоев материалов и др. Применение зондовой системы повысило точность и общее качество моделирования, что выразилось в уменьшении погрешности в определении положения зоны плавления в доменной печи от 15-20 X относительных до 5-10 Z.

3.Разработан и реализован на компьютерах ветви IBM программный комплекс для диагностики работы доменных печей и шахтнкх Мидрекс-реакторов на основе соврекенннх

методов математического моделирования процессов газодинамики и тепломассообмена.

Программный комплекс позволяет получать достоверные оценки распределения параметров процесса в пространстве печей. Новые методики позволяют производить достоверную оценку формы и положения зоны плавления доменных печей с помощью изотерм жихтовых материалов и линий равной окис-ленности газа и «ихты. На основании модели жидкофазного восстановления получена возможность производить оценку скорости срабатывания коксовой насадки в доменной печи. На основании математической модели истечения газов в коксовых окнах в зоне плавления получена возможность оценивать критические режимы работы доменной печи по расходу и давлению дутья. Математическая модель тепломассообмена позволила оценить распределение интенсивности реакции газификации кокса в различных радиальных зонах доменной печи и таким образом оценить зоны с наиболее вероятной фракционной деградацией кокса. Данная оценка была использована для разработки экономичного технологического режима с под-грузкой коксовой мелочи в гребневую зону.

4. С помощью программно-измерительного комплекса проведена диагностика современных доменных печей большого об'ема, в частности доменной печи N 5 ЧерМК. Диагностика выявила технологические особенности работы печи: зону плавления, вытянутую к колошнику, гребневые зоны с высокими значениями рудной нагрузки вследствие выброшенного из них кокса (до 20 ед.) и др. Правильность диагностики была подтверждена пробами металла и шлака, извлеченными из зоны плавления зондовой системой. Программно-диагностический комплекс произвел более правильную оценку режима, чем используемый на ДП N5 программный продукт фирмы

DDS (ФРГ).

5. С помощью программного комплекса произведена разработка серии экономичных режимов доменной плавки с частичной заменой качественного кокса его дежевыми мелкими фракциями. Во всех случаях при замене 102 кокса наименее критична в газодинамическом смысле жахта печи, и наиболее-коксовые окна в зоне плавления. Предложен и исследован

на модели режим с компактной загрузкой коксовой мелочи в специфическую радиальную зону ДП N5, опускающуюся в фурменные очаги, как наименее критичную в смысле газодинамики и в смысле наружения фильтрующих свойств коксовой насадки. Проведены промнкленные опыты в неблагоприятных

-а-

технологических условиях с загрузкой около 102 коксовой мелочи низкого качества в радиальную надфурменнув зону. Принято реиение о проведении долгосрочных ипытаний с загрузкой коксовой мелочи с цельв определения коэффициента замени кокса и влияния этого режима на фильтрующие свойства насадки.

6. Произведена адаптация программного комплекса для целей обучения и для использования его в режиме тренажера. Программный обучающий комплекс используется в учебной процессе в МИСиС и передан в ряд техникумов и вузов.

Основное содержание диссертации отражено в публикациях:

I.Определение динамических характеристик доменной печи/ А.Н.Похвиснев,И.Ф.Курунов,В.А.Доброскок и др.//Изв.Вузов .Черная металлургия.-1969.-е.33-35.

2.Экспериментальное определение динамических характеристик доменной печи/А.Н.Похвиснев,И.Ф.Курунов,В.А.Доброскок и др.//Подготовка доменного сырья к плавке: сборник.-М.Металлургия,- 1971.

3.Испытания алгоритма управления тепловым состоянием доменной печи/ А.Н.Похвиснев, И.Ф.Курунов, В.А.Доброскок и др.//Бюллетень ЦИИН ЧМ.-1971.-К17.-с.36-37.

4.Похвиснев А.Н..Клемперт В.М..Доброскок В.А. Динамическая коррекция алгоритма управления тепловым состоянием доменной печи.// Изв.Вузов.Черная металлургия.-1971-N 11.-с.23-25

5. Доброскок В.А, К вопросу о критерии теплового состояния доменной печи.// Изв. Вузов, Черная металлургия. -1972. -N1 .-с. 28-30.

6. Курунов И.Ф..Доброскок В.А. Лабораторный практикум по курсу "Системы автоматического регулирования в доменном производстве". - М: 1973.

7.Разработка и исследование на аналого-цифровой модели системы стабилизации химического состава чугуна/А.Н. Похвиснев,В.М. Клемперт,В,А. Доброскок и др.//Первая Всесоюз. конференция по примен. ЭВМ в металлургии.-М.-1973.

8.Промышленные испытания системы стабилизации химического состава чугуна/А.Н. Похвиснев.В.М. Клемперт,В.А. Доброскок и др.//Первая Всесоюз. конференция по примен. ЭВМ в металлургии.-М.-1973.

9. Исследование динамических характеристик доменной печи по каналам управления/А.Н. Похвиснев, П.И. Ашпин, В.А. Доб-роскок//Проблемы автоматизированного управления доменным производством: Сборник.-Киев.-1973.

10.Разработка и развитие алгоритма управления тепловым состоянием доменной печи/А.Н. Похвиснев, В.А. Доброскок// Всесозная конференция по теор. вопросам металлургии чугуна.-М.-1974. •

II.Dynamic corelation of an algorithm for controling the thermal state of blast furnace/A.N.Pochvisnev, U.M. Clem-pert, U.A, Dobroskok/ZSteel in the USSR.-1974,- V.l.-Nl.

12, Курунов И.Ф..Доброскок В.А. Опыт и перспективы применения ЭВМ на кафедре руднотермических процессов/Курунов

И.Ф., Доброскок B.ñ. Применение ЭВМ в учебном процессе. Методические указания. - М., 1974.-Раздел 6.- с. 35-40.

13. Влияние размеров доменной печи и темпа выпусков на динамические характеристики/ И.Ф. Курунов, В.й. Доброскок, В.Г. Макиенко // Изв. Вузов. Черная металлургия. - 1975. - N 5. - с. 36-38.

14. Разработка и исследование аналого-цифровой модели системы стабилизации химического состава чугуна/А,Н, Похвис-нев, И.Ф. Курунов, В.А. Доброскок и др// Научные труды МИ-СиС. - 1975. - N 82.- с. 38-40.

15.Контроль теплового состояния горна доменной печи/ А.В. Похвиснев, В.Г. Макиенко, B.ñ. Доброскок и др.// Бюллетень института "Черметинформация".-19?5.-Н21.

16. А.с. СССР, кл.С 21 В 7/16, Фурма доменной печи./ Й.Н. Похвиснев, В.Г. Макиенко, В.А. Доброскок и др.(СССР).-N 458582; 3аявл.8.08.73; Опубл. 28.03.75.

17. А.с. 492546 СССР, кл.С 21 В 5/00. Способ доменной плавки./И.Ф. Курунов, А.И. Истеев, В.А. Доброскок и др.(СССР).-N 2028278; Заявл.28.05.74; Опубл. 3.12.75.

18. Определение динамических характеристик доменной печи объемом 5000 м куб./И.Ф. Курунов, В.й. Доброскок, Й.И. Истеев и др.// Изв.Вузов. Черная металлургия. - 1977. - N 9.- с. 29-31.

19. Влияние распределения газа по окружности на динамические характеристики доменной печи/Й.Ф. Курунов, В.й. Доброскок, Й.И. Истеев и др.// Металлург. - 1977. - N 6. - с. 20-21.

20. А.с. 581145 СССР, кл.С 21 В 7/24. Способ ведения доменной плавки./Курунов И.Ф..Доброскок В.й.,Мацнев В.Г. и др.-N 2390360; Заявл. 19.07.76.; Опубл. 2.12.77.

21.Доменная плавка с переменной нагрузкой/В.А. Доброскок, А.И. Истеев, В.И. Плевков и др.//Бюллетень ин-та "Чер-метинформация".-1977.-Ш2.-с.41-42.

22.Загрузка доменных печей с учетом динамических характеристик по каналу "рудная нагрузка-содержание кремния в чугу-не"/А.Н, Похвиснев, В.А. Доброскок, В.й. Шатлов//Проблемы автоматизированного управления доменным производством: сборник.-Киев: "Наукова думка".-1977.

23.Определение динамических характеристик доменной печи с помощью пробного сигнала типа "прямоугольная волна" /В.й, Доброскок, Й.И. Истеев, В.й. Шатлов//Проблемы автоматизированного управления доменным производством: сборник.-Ки-ев:"Наукова думка".-1977,

24.Исследование системы стабилизации содержания кремния в в чугуне с моделью прогноза /В.й. Доброскок, В.Г. Макиен-ко//Проблемы автоматизированного управления доменным производством: сборник.-Киев:"Наукова думка".-197?.

25.Способ автоматического контроля прогара воздушных Фурм/В.Г. Макиенко, В.й. Доброскок, //Бюллетень ин-та "Чер-метинформация",-1977.-N24.-с.37.

26. Работа доменных печей с периодически изменяемой рудной нагрузкой/И.Ф. Курунов, В.В. Ермолаев, В.й. Доброскок и др.// Металлург. - 1978. - N 3. - с. 12-15,

27. Исследование неравномерности химического состава чугуна по окружности доменной печи/И.Ф. Курунов, В.й. Доброскок, А.И. Истеев и др. // Сталь. - 1978. - N 6. - с. 498-500.

28. ft.с. 605583 СССР, кл.С 21 В 5/00. Способ доменной плавки/И.Ф. Курунов , А.И. Истеев, В,А. Доброскок и др.(СССР).-N 2036538; Заявл. 24.06.74; Опубл. 7.04.78.

29. A.c. 635139 СССР. кл.С 21 В 7/24. Способ ведения доменной плавки/И.Ф. Курунов,В.А. Доброскок, ft.И.Истеев др. (СССР). N 2379402; Заявл. 5.07.76; Опубл. 30.11.78.

30. A.c. 605838 СССР, кл.С 21 В 7/24. Способ доменной плавки/И.Ф. Курунов, В.й. Доброскок, В.Г. Мацнев и др. (СССР). N 2390349; Заявл. 19.06.76; опубл. 7.04.78.

31. ft.с. 597717 СССР, кл.С 21 В 5/00. Способ доменной плавки/И.Ф. Курунов, А.И. Истеев, В.й. Доброскок и др. (СССР). N 2422780; Заявл.23.11.76; Опубл. 29.03.78.

32. A.c. 624916 СССР, кл.С 21 В 5/00. Способ ведения доменной плавки/И.Ф. Курунов, В.й. Доброскок, А.И.Истеев А.И. и др.(СССР).- К 2403159; заявл,6.09.76 опубл.8.08.78.

33. Опыт регулирования теплового состояния печи при работе с новым режимом загрузки/Й.И. Истеев, В.И. Плешков, В.й. Доброскок др. //Бюллетень ин-та "Черметинформа-ция".-1978.-N22.-с.34-36.

34. Опытные плавки с переменной рудной нагрузкой /В.Г. Макиенко, В.й. Доброскок, //Бюллетень ин-та "Черметинформа-ция".-1978.-N8.-с.38-39.

35. Определение амплитудно-фазовой характеристики доменной печи/ И.Ф. Курунов, В.й. Доброскок, А.И. Истеев и др.// Изв. Вузов. Черная металлургия. - 1979. - N 7. - с.27-31

36. Ргасе vysoke ресе s promenllvou rudnou navazkou/ U.A. Dobroskok, A.I. Isteev, Ü.G. Macnev//Hutnicke lists.-1979.-N 5.-s.312-315.

37. Повышение эффективности доменной плавки путем совер-

иенствования режима загрузки/А.И. Истеев.' В.А. Доброскок// Report of 6 International Conference on Ironaaking "Uitkoice 1979" 0strava//1979.-p.283-294.

38. Влияние управляющих воздействий технологического персонала на качество чугуна/А.Н. Похвиснев, Б.И. Негинский, В.А. Доброскок и др.//Проблемы автоматизированного управления доменным производством: сборник. ^Металлургия.-1979.-с. 18-19.

39.Система автоматического регулирования температуры Фурменных зон доменной печи/В.А. Доброскок, Н.И. Стецюренко,

A.И. Истеев, и др.//Проблемы автоматизированного управления доменным производством: сборник.-М:Металлургия .-1979. -с.66-67.

. 40. Доброскок В.А.,Истеев А.И. Элементы систем автоматического управления//Доброскок В.А., Истеев А.И., Элементы информации. Усилительные устройства.-М.:МИСиС.-1980.-с.50.

41.Термодатчик для измерения температуры фурменных зон доменной печи / В.А. Доброскок, Н.И. Стецюренко, В.Г. Маки-енко и др. //Бюллетень ин-та "Черметинформация". -1980. -N9.-c.36-38.

42. Подготовка руд к плавке и производство чугуна: За-дачник/Ю.С. Юсфин, В.А. Доброскок, А.И. Истеев и др.-М.:МИ-СиС, 1980.- с.75.

43. Анализ влияния некоторых факторов управления доменной плавкой на колебания содержания кремния в чугуне/Л.И.Ро-жавский.Б.М. Негинский ,В.А. Доброскок и др.// Металлург . -1981. -Hi.- с.16-18.

44. А.с. 842107 СССР 7/24, G 01 К 7/02.. Термодатчик фурмы доменной печи. Курунов И.Ф..Михалевич-А.Г., Доброскок

B.А. и др.(СССР).- N 2608076: Заявл.24.04.78; Опубл. 30.06. 81.

45. Курунов И.Ф..Доброскок В,А.,Зимина М.П. и др. Исследование динамики канала "влажность -дутья - содержание кремния в чугуне./М: 1981. - 8 с,-Деп, в ин-те Черметинформация 3.03.1982, N 1542 ч.м. - Д82.

46. Возмоаност за работа на доменните пещи в СМК "Креми-корцы" с импулсен режим на подаване на кокса. Курунов Иван,Истеев Анатолий, Доброскок Владислав и др.// Металлургия. - 1982. - 37. - N 3,4-6 (болг).

47. А.с. 899650 СССР, Н 3 МКИ С 21 В 5/00. Способ, доменной плавки/И.Ф. Курунов, В.А, Доброскок, А.И. Истеев и др.(СССР).- N 2739215/22-02/22-02; 3аявл.02.03.79; Опубл. в~ Б.И.,1982,

-и-

48. Оценка эффективности стабилизации содержания кремния в чугуне изменением рудной нагрузки/ М.П. Зимина. В.А.Доб-роскок. П.А. Помазанов П.А. //Изв. Вузов. Черная металлургия. - 1983. - Н 7. - с.148-149.

49. Оценка технико-экономической эффективности стабилизации содержания кремния в чугуне/ М.П, Зимина, В.А. Доброс-кок, П.А. Помазанов, // Изв. Вузов. Черная металлургия. -1983. - N 1. - с.149-150.

50. Методические указания по курсовому и дипломному проектированию по курсу "Оборудование и проектирование ACH ТП черной металлургии" для студентов спец. 0635. - М: 1984.

51. Моделирование газодинамики доменного процесса с учетом слоевой структуры столба шихтовых материалов/Кузнецов H.A., Доброскок В.А.//Тез. докл. »U республик, науч.-техн. конф.: Автоматизация и механизация технологических процессов производства черной металлургии Казахстана,- 1984.-с.20.

52. Оборудование и проектирование АСУ ТП аглодоменного производства: Учебное пособие по курсовому и дипломному проектированию для студентов спец. 0635/В.А. Доброскок, И.Ф.

* Курунов И.Ф. - М: 1985

53. Математические модели процессов газодинамики и восстановления в доменной печи/ В.А. Доброскок, H.A. Кузнецов, А.И. Туманов А.И. // Изв. Вузов. Черная металлургия. - 1985. - N 3. - с, 145-146, Б.4.

54. A.c. 1133295 СССР, МКИ с 216 В 7/24 N1. Зонд для контроля параметров шихты в доменной печи/И.Ф. Курунов, H.A. Савчук , В.А. Доброскок и др.(СССР).-N 3521494/22-02; За-явл.15.12.82; Опубл. в Б.И. - 1985.

55. A.c. 1138415 СССР. N 5 Мки с 21 В 7/24. Устройство для контроля толщины и распределения шихтовых материалов в холодной модели доменной печи/С.Б. Ященко.И.Ф. Курунов,В.А. Доброскок и др.(СССР).-N 3554954/22-02; 3аявл.22.02.83: Опубл. в Б.И. - 1985.

56. Математические модели процессов газодинамики и воос-тановления в доменной печи/В,А. Доброскок, H.A. Кузнецов, А.И. Туманов//Изв, вузов. Черная металлургия. -1985. -N3. -с. 145-146.

57. Курунов И.Ф.,Антонов В.В..Доброскок В.А и др. Лабораторная установка для моделирования распределения материалов в верхней части шахты доменной печи с электрическим принципом контроля структуры столба шихты.// МИСиС.- М., 1985. - 52 е.- Деп. в Черметинформации 08.08.85, N 2994 -чм.