автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка и испытание систем диагностики состояния огнеупорной кладки и контроля теплового режима фурменной зоны доменной печи

РГ0 О»

- 8 ОМ «36

На правах рукописи

и

ЛАВРОВ Владислав Васильевич

РАЗРАБОТКА И ИСПЫТАНИЕ СИСТЕМ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ ОГНЕУПОРНОЙ КЛАДКИ И КОНТРОЛЯ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА ФУРМЕННОЙ ЗОНЫ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных металлов

Автореферат диссертации на соискание ушной степени кандидата технических наук

Екатеринбург 1996

Работа выполнена на кафедре "Металлургические печи" Уральского государственного технического университета - У ПИ.

Научные руководители: действительный член АИН РФ,

доктор технических наук, профессор Овчинников Ю.Н.;

доктор технических наук, профессор Спирин Н. А.

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки и техники РФ,

лауреат Государственной премии, доктор технических наук, профессор Шаврин С.В.;

действительный член Нью-Йоркской АН США, кандидат технических наук Щукин Ю.П.

Ведущее предприятие - АО "Нижнетагильский металлургический комбинат" (г.Нижний Тагил).

Защита состоится " т* 1996

овет

г. в _ часов

на заседании специализированного совета Д 063.14.01 при Уральском государственном техническом университете - УПИ по адресу: 620002, г.Екатеринбург, ул.Мира, 19.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Уральского государственного технического университета - УПИ.

Отзыв на автореферат в одном экземпляре, заверенный печатью, просим отправлять по адресу: 620002, г.Екатеринбург, ул.Мира, 19.

Автореферат разослан "С&М1?, 1996 г.

Ученый секретарь специализированного совета Д 063.14.01, I профессор, д.т.н. Н.С.Шумаков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Для решения проблемы повышения эксплуатационной надежности и увеличения продолжительности кампании доменных печей большое значение имеет контроль огнеупорной кладки печи: ее толщины, тепловых нагрузок на футеровку и холодильники. Главным преимуществом такого контроля является возможность прогноза рабочего профиля печи, что позволяет обслуживающему персоналу своевременно определять локальные участки износа футеровки и принимать необходимые меры по их устранению. Оперативная информация о текущем состоянии огнеупорной кладки исключительно важна как с точки зрения технологии, так и с точки зрения безопасности работы печей.

Одной из основных задач ведения доменного процесса является стабилизация теплового режима плавки, что позволяет, в конечном итоге, выплавлять чугун заданного состава и способствует снижению удельного расхода кокса. Регулирование теплового состояния доменной печи, осуществляемое технологическим персоналом, в значительной степени базируется на устранении уже произошедших отклонений в нагреве печи от заданного уровня, т.е. производится с существенным запаздыванием. При этом одной из главных трудностей, осложняющей регулирование теплового режима, является неполнота и недостаточная достоверность информации о текущем тепловом состоянии печи, а интерпретация полученных экспериментальных данных порой затруднена из-за их невысокой информативности и представительности. Цель работы

1. Разработка и опытно-промытлеттшде испытания системы диагностики состояния огнеупорной кладки доменных печей.

2. Оценка возможностей использования температуры торцевой стенки воздушной фурмы как показателя теплового состояния фурменного очага, разработка и испытание на этой основе системы контроля теплового режима фурменных зон.

Научная новизна основных результатов, полученных автором в ходе решения поставленных задач, проявилась в следующем:

- разработан комплекс математических моделей стационарного и нестационарного, одномерного и двумерного теплообмена футеровки с печной средой, дано решение обратной задачи нестационарного теплообмена в материале футеровки, позволивших пред-

дожить новый способ диагностики состояния огнеупорной кладки но ее температурному полю;

- решена задача движения частицы расплава в объеме фурменной полости, определена траектория ее движения, рассчитаны компоненты вектора скорости этой частицы и время ее пребывания в объеме фурменного очага;

- разработана математическая модель теплообмена в объеме фурменного очага, позволившая оценить величину плотности теплового потока на торцевую стенку воздушной фурмы.

На защиту выносятся следующие основные положения:

- способы диагностики состояния футеровки доменных печей, основанные на закономерностях теплообмена, позволяющие контролировать толщину футеровки, тепловые нагрузки на футеровку и холодильники; математическое и программное обеспечение системы диагностики состояния футеровки, а также результаты ее опытно-промышленных испытаний;

- анализ информативности и представительности температуры торцевой стенки воздушной фурмы как показателя теплового состояния фурменной зоны на основе решения задачи движения частицы расплава в полости фурменного очага и математического моделирования теплообмена в его объеме; разработка на этой основе усовершенствованной системы контроля теплового состояния фурменной зоны; результаты опытно-промышленных испытаний этой системы.

Практическая значимость работы

Предложены и реализованы новые методы диагностики состояния огнеупорной футеровки доменных печей, позволяющие контролировать толщину кладки и тепловые нагрузки на холодильники.

Реализован метод контроля теплового состояния фурменной юны и способ прогноза теплового состояния фурменного очага по измерениям температур торцевой стенки воздушной фурмы. Апробация работы и публикации

Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных ilay * iiю-i cxiтчеоких конференциях "Научные основы конструирования металлургических печей" (Днепропетровск, 1993) и "Экология и теплотехника - 1996" (Днепропетровск, 1996); Всесоюзной конференции "Средства и системы автоматического контроля и управления технологически-

скими процессами в металлургии" (Свердловск, 1991); конференции, посвященной 75-летию образования металлургического факультета УГТУ - У ПИ "Современные аспекты металлургии получения и обработки металлических материалов" (Екатеринбург, 1996).

Материалы диссертации изложены в 8 статьях и докладах, по результатам работы получено 2 патента Российской Федерации. Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из 176 наименований и приложения. Работа изложена на 146 стр. машинописного текста, включая 35 рисунков и 4 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ . 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Важность и актуальность проблемы контроля огнеупорной футеровки, разнообразие условий ее работы в различных зонах доменной печи предопределили использование различных принципов, положенных в основу диагностики состояния огнеупорной кладки и, в первую очередь, определения ее толщины. В работе подробно рассмотрены достоинства и недостатки известных способов контроля толщины футеровки: с помощью измерения расхода и перепада температуры воды на входе и выходе из холодильника в охлаждаемой части печи, ультразвука, радиоактивных изотопов, ударных упругих волн, измерения сопротивления электрической цепи.

Обобщение отечественного и зарубежного опыта позволило сделать вывод, что наиболее перспективным и надежным методом контроля рабочего профиля и диагностики состояния кладки в настоящее время является использование термопар, установленных в материале футеровки. Преимуществами указанного метода является его относительная простота, надежность и оперативность получения данных о распределении температур в кладке. Однако большинство способов, основанных на этой методике, как правило, только дискретно фиксируют- износ футеровки. Для решения задачи прогноза ее толщины необходима разработка системы диагностики состояния кладки, включающей специальное математическое и программное обеспечение.

Тепловое состояние доменной печи, в особенности ее нижней части, является одним из основных факторов, определяющих при

существующих условиях плавки ее количественные и качественные показатели, стабилизация которых в пределах допустимых отклонений от оптимальных значений является целью управления доменным процессом. Для целей регулирования, в большинстве случаев, используют химический состав чугуна или его температуру, а в ряде случаев применяют расчетные пок-ячятели. определяемые, как

" ^ Г Г ' 1 ' '

правило, из теплового баланса доменной печи или отдельных ее зон. При этом фактическим показателем нагрева горна считается обычно состав чугуна, а преимущество расчетных показателей видя!' в возможности прогноза изменения нагрева чугуна.

Для непрерывного контроля теплового состояния низа доменной печи исследователями предложены и опробованы ряд косвенных показателей. Одним из наиболее перспективных показателей теплового состояния фурменной зоны является температура фурменного очага, а наиболее простым и надежным в эксплуатации способом ее контроля является измерение температуры торцевой стенки воздушной фурмы. Однако в настоящее время остается нерешенным вопрос об информативности и представительности температуры торцевой стенки воздушной фурмы как показателя теплового состояния фурменной зоны.

Таким образом, задачи настоящей работы заключались в следующем:

1. Разработка и испытание системы диагностики состояния огнеупорной футеровки доменной печи на основе анализа теплооб-менных процессов в материале кладки.

2. Оценка возможностей использования температуры торцевой стенки воздушной фурмы как показателя теплового состояния фурменных зон доменной печи, а также разработка и испытание на этой основе усовершенствованной конструкции датчика контроля теплового состояния фурменного очага.

2. РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ ФУТЕРОВКИ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

Б диссертационной работе при разработке способа диагностики состояния футеровки доменной печи был принят за основу наиболее перспективный метод, основанный на контроле температур по толщине огнеупорной кладки. При этом обязательным условием определения толщины футеровки является знание еще двух

А

параметров - температуры рабочей (печной) среды в месте установки термодатчиков и условий теплообмена этой среды с рабочей поверхностью футеровки (коэффициент теплоотдачи). Эти параметры измерить или задать даже весьма приближенно не представляется возможным, т.к. они определяются ходом тепло- и массооб-менных, газодинамических процессов в объеме печи, особенностями распределения материалов и газов и т.д.

Для определения этих параметров предложен новый кондук-тивпый способ диагностики состояния футеровки, предусматривающий установку в печи не менее двух дополнительных вкладных элементов из огнеупорных материалов с отличными друг от друга и материала кладки значениями коэффициентов теплопроводности и последующим измерением температур как в материале кладки, так и в каждом элементе. В связи с :пим нами была решена задача стационарного теплообмена по толщине футеровки (рис. 1). В эхом случае

появляется возмож- Рис. 1. К способу диагностики состояния ность определить такие кладки кондуктивным методом

параметры кладки, как

толщину (Б), температуру печной среды (газа) в периферийной части печи на горизонте установки датчика (Тр), а также коэффициент теплоотдачи от печной среды к рабочей поверхности футеровки (сХр) расчетным путем:

д, Вкладные

элементы

Кладка

,3лл2>>,1

Расстояние от внутренней поверхности клздж

арЛ

(П

Здесь Тр - температура рабочей среды у поверхности кладки, С; - номер вкладного элемента; ^ - температура, зарегистрированная в первой (ближайшей к

7

рабочей поверхности) точке в ^м вкладном элементе, °С;

t,2j - температура, зарегистрированная во второй точке в ^м вкладном элементе, °С;

0Ср - коэффициент теплоотдачи от рабочей среды к поверхности кладки, Вт/(м2-град.);

Х\ - коэффициент техшопроводности ]-го вкладного элемента, Вт/(м-град.);

X - остаточная толщина кладки до первой точки регистрации температур, м;

й) - расстояние между первой и второй точками регистрации температур в _]-м вкладном элементе, м.

С целью определения корректности предложенного способа, а также для определения его погрешностей выполнили имитационное моделирование температурных полей во вкладных элементах. В результате показано, что разработанный способ позволяет определять толщину кладки металлургических печей, одновременно контролировать температуру рабочей среды (газа) в периферийной части печи на горизонте установки датчика и коэффициент теплоотдачи от рабочей среды к внутренней поверхности футеровки. Способ применим как для условий естественного (воздушного) охлаждения наружной стороны кладки, т.е. для условий верха тахты, так и для условий водяного (испарительного) охлаждения (низ шахты, распар и горн). Как показали результаты анализа, наибольшая погрешность расчета параметров состояния футеровки определяется неточностью измерения температур во вкладных элементах, поэтому основное внимание при разработке конструкции датчика было уделено этому вопросу.

Так, в разработанном способе контроля состояния футеровки предполагалось, что тепловой поток через кладку печи является одномерным и распределяется только в поперечном направлении. Однако с учетом конструкции датчиков, состоящих из вкладных элементов с различными коэффициентами теплопроводности, неизбежно появление оттока (притока) тепла между вкладными элементами и материалом самой футеровки вследствие различия температурных полей по их длине. Величина вносимой погрешности определяется конструктивными размерами вкладных элементов и теп-лофизическими свойствами материалов кладки и вкладных элементов. Оценка этой погрешности осуществлялась методом математического моделирования двумерной задачи теплообмена датчика с

огнеупорной кладкой, в ходе которого было установлено, что влияние поперечной теплопроводности (оттока тепла) в кладку от вставок необходимо учитывать при разработке метода контроля состояния огнеупорной кладки.

В работе предложен способ замены двумерной задачи теплообмена датчика с футеровкой на ее одномерный вариант, с целью чего введен приведенный коэффициент теплопроводности огнеупорных вставок (А-пр), под которым понимается такая теплопроводность, при которой рассчитанная по одномерной задаче, т.е. без учета продольного (поперечного) перетока тепла, температура в данной точке совпадает с фактическими значениями температуры. Результаты расчетов А,Г1Р для характерных вариантов конструкции датчика показали, что эта величина незначительно (до 0.3 %) изменяется относительно своего среднего значения, а способ определения толщины кладки, температуры печных газов (рабочей среды) и тепловой нагрузки будет справедлив и в случае приведения двумерной задачи теплообмена к одномерной, если при оценке искомых параметров использовать приведенные (фиктивные) значения коэффициентов теплопроводности.

Разработанный кондуктивный способ имеет широкие возможности и обеспечивает достаточную точность контроля комплекса параметров кладки, однако конструкция многослойного датчика относительно сложна и оказалась исключительно трудоемкой в изготовлении. Поэтому был разработан дополнительный вариант способа диагностики состояния футеровки, который уже не требовал установки многослойного датчика, а базировался лишь на измерении температур только в одном материале. В основу способа положено математическое решение обратной задачи нестационарной теплопроводности, физическая постановка которой формулируется следующим образом.

В фиксированных точках X; (1=1,2,3,...Д) заложены датчики температуры, показания которых ^ непрерывно фиксируются. Требуется подобрать такие параметры граничных условий и такое значение толщины стенки, при которых сумма квадратов отклонений измеренных температур от тех, какие должны быть при данном типе граничных условий, была бы минимальной, т.е.

*т2

I

тип, (2)

£

где Кх„т) - расчетная температура в точке Х| для момента времени

х; - весовая функция, учитывающая, что в общем случае точность показаний отдельных датчиков может быть различной (0<ш<1).

Решение обратной задачи теплопроводности позволяет рассчитывать степень износа кладки (%), тепловые нагрузки на холодильники и футеровку (ц), а также температуру наружной поверхности кладки (Ц). При этом параметры ^ <1 и определяются из следующей системы нелинейных дифференциальных уравнений:

.Ух^о)-^} ^ _ ¡=1 1

д1

н

дх

= 0,

(3)

х =

ч»(х)-ч(хИо)

£¡(0)' " ' 32(0)' ' ■ ' X

Здесь I т общее количество датчиков измерения температуры по толщине кладки; а - коэффициент температуропроводности, м2/с; 5(0) - толщина огнеупорной кладки в момент времени х-0.

Выражение для температуры КХ^х) получено о использованием приближенного численного метода Галеркина и после необходимых математических преобразований имеет следующий вид:

1(Х,Ро)=1н+ X-

ц2Х( 2-Х-2$)

1-4

цро'1

•Ч*(т)+Х(2-Х-2^))

х еЧ~ ^Г^Г I1+05(^0 ~ >

J-l

= Е Ч * (]Ах) • ехр

Н

• |цЛРо+

5 25 25 ,

= ц2 = у>' щ=1-ц3.

Решение уравнений (3)-(4) получено с помощью численного метода Ньютона. Программное обеспечение разработанной математической модели нестационарного теплообмена в футеровке реализовано на ПЭВМ ЮМ-АТ. Проверка адекватности разработанного математического и программного обеспечения осуществлялась в два этапа методом вычислительного эксперимента.

На первом этапе при известных граничных условиях решалась прямая задача теплообмена в кладке, т.е. рассчитывались температурные поля по толщине кладки при заданных законах изменения во времени степени износа кладки и теплового потока на ее внутреннюю (рабочую) поверхность. При этом имитировались различные режимы работы кладки, в частности, изменения степени износа кладки и величины теплового потока во времени задавались в виде линейной-кусочных, периодических и других функций.

На втором этапе результаты решения прямой задачи, т.е. рассчитанные значения температур, принимались за измеренные в различных точках по толщине кладки и являлись исходной информацией для решения обратной задачи теплопроводности - прогнозирования степени износа кладки и значений теплового потока на ее внутреннюю поверхность в различные моменты времени.

В результате установлено, что относительная погрешность в прогнозе износа футеровки составляет до 5 %, а теплового потока -до 2,5 %. В целом можно констатировать, что разработанный способ позволяет относительно точно прогнозировать изменения во времени толщины огнеупорной футеровки и ее тепловых нагрузок.

3. ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ ФУТЕРОВКИ ДОМЕННЫХ ПЕЧЕЙ

Эскиз разработанной конструкции датчика, а также схема его установки в огнеупорную кладку доменной печи представлены на рис. 2. Датчик позволяет измерять распределение температур в трех точках по толщине футеровки. В целях надежности получения

И

информации в двух из них, наиболее приближенных к рабочей поверхности, осуществляется дублирование путем установки дополнительных термопар, использовались также способы защиты спаев термопар от науглероживания. Каждая из пяти термопар типа ТХА 706-02 длиной 1600 мм помещалась в отдельную защитную трубу. Вся конструкция датчика заполнялась огнеупорным бетоном марки МКН-94 с муллито-корундовым наполнителем и величиной пористости 32%. Датчик выполнен в виде моноблока и помещен в защитную стальную трубу с толщиной стенки 10 мм. Запись показаний термодатчика осуществляется потенциометром КСП-4, установленным на щите управления доменной печью.

-V

-V

о о со

1*200-400-

-600-

-1600-

Рис.2. Схема установки датчика системы диагностики состояния футеровки в шахту доменной печи

На первом этапе исследований ставилась задача оценки надежности работы датчика в условиях низа шахты доменной печи, поэтому монтаж его производили на горизонте 1-го ряда холодильников шахты после задувки доменной печи № 8 АО ММК. Снижения расхода горячего дутья на выпусках, периодичность выпусков чугуна и шлака, понижение уровня засыпи и др. кратковременные изменения в режиме работы печи практически не оказывали влияния на температуру внутренней поверхности слоев кладки

12

вследствие ее высокой тепловой аккумулирующей способности. На основании анализа результатов исследований было принято целесообразным принять периодичность усреднения температур, равную циклу выпусков жидких продуктов плавки. Опыт эксплуатации системы в течение длительного времени (более 3 лет) показал достаточную надежность разработанной конструкции датчика, математического и программного обеспечения. Как показал анализ, в период опытно-промышленных испытаний в месте установки датчиков износа футеровки не наблюдалось и колебания степени износа находились в пределах погрешности разработанного метода. Нормальное состояние кладки печи косвенно подтверждалось и другими показателями, в частности, перепадом температуры воды на входе и выходе из холодильников шахты, состоянием брони и Т.д.

Учитывая положительные результаты опытно-промышленных испытаний системы диагностики состояния футеровки на ДП № 8, аналогичными системами оборудованы ДП № 6 и ДП № 7. Места установки датчиков на этих печах выбраны из соображений контроля параметров футеровки в зонах ее наиболее вероятного и существенного износа. Поэтому на ДП № б два датчика были расположены в одной вертикальной плоскости на различных горизонтах по высоте печи (5-й и 8-й ряд холодильников шахты), а на ДП № 7 -на одном горизонте (3-й рад холодильников шахты).

На рис. За,б в качестве примера представлены характерные фрагменты показаний двух термодатчиков, установленных на различных горизонтах шахты доменной печи № б. Регистрация показаний температур в трех точках, удаленных от проектного рабочего профиля футеровки в обоих олучаях на расстояние 0.2, 0.4 и 0.6 м, производилась за один и тот же период работы печи. На рисунках приведены также расчетные изменения степени износа кладки и плотности теплового потока на ее внутреннюю поверхность в местах установки датчиков.

Несмотря на то, что датчики установлены в одной вертикальной плоскости шахты на относительно небольшом расстоянии друг от друг а по высоте (2,9 м), характер изменения температурного поля в кладке, как видно го приведенных данных, существенно различается. На горизонте 5-го ряда холодильников футеровка "работает" в более тяжелых по тепловому воздействию условиях:

2 3 4 5 8

Период исследований, суг.

3 4 5.6

Период исследований, суг.

б)

Рис. 3. Изменение параметров работы кладки на горизонте 8-го (а) и 5-го (б) ряда холодильников шахты ДП № 6 АО ММК; в скобках - расстояние датчика температуры в кладке от ее рабочей поверхности, м

14

общий уровень температур в измеряемых точках значительно выше (500-700°С) и, кроме того, прослеживаются значительные колебания тепловых нагрузок, достигающие по температуре 100 °С/ч, по тепловому потоку - 400 Вт/м2 в чао. На более высоких горизонтах шахты (8-й ряд холодильников) температуры в кладке изменяются незначительно, а их общий уровень относительно невысок.

Расчет толщины футеровки по результатам показаний датчика, установленного на горизонте 8-го ряда холодильников о периодом усреднения информации 2 ч, показал отсутствие износа в этой области (рис.3,а), что подтверждается относительно невысоким уровнем и характером изменения температур и теплового потока в кладке. Высокочастотные колебания температур в периферийной части печи, имеющие место в данной вертикальной плоскости шахты и фиксируемые датчиком, установленным ниже (на горизонте 5-го ряда холодильников), сглаживались (демпфировались) остаточной толщиной футеровки.

Расчет толщины футеровки по результатам показаний датчика, установленного на горизонте 5-го ряда холодильников, показал, что здесь имеется износ порядка 12% от ее проектного профиля (рио.3,6). Этим, по-видимому, можно объяснить большую чувствительность датчиков температур в кладке к изменению теплового состояния периферийной части шахты.

Анализ показал, что колебания температурного поля футеровки при изменении теплового режима шахты и при наличии небольшого износа позволяют использовать информацию от термодатчиков для косвенного контроля теплового состояния доменной печи. Сравнение величины плотности теплового потоков на кладку ДП №6, рассчитанного по показаниям двух датчиков футеровки шахты (5-й и 8-й ряды холодильников), и содержания кремния в чугуне указывает на их относительную взаимосвязь, которая наиболее ярко прослеживается при существенных и длительных отклонениях содержания кремния в чугуне от заданного значения (±0.1 %) при длительности отклонений более 5-6 выпусков. Результаты вычислений взаимных корреляционных функций указанных величин для этого случая показали, что расчетные изменения теплового потока в кладке на горизонте наиболее вероятного ее износа имеют относительно более тесную взаимосвязь с содержанием кремния в чугуне. При этом максимум корреляционной функции достигает значений 0,55 - 0,60 при сдвиге временного интервала в расчете показа-

телей на 2 ч, т.е. изменения тепловых нагрузок на огнеупорную футеровку опережают по времени отклонения в тепловом режиме доменной печи, которые фиксируются по содержанию кремния в чугуне. Следовательно, информацию о тепловых нагрузках кладки в местах ее наиболее вероятного износа можно использовать в качестве дополнительного способа ппогноза существенных изменений теплового режима плавки.

4. КОНТРОЛЬ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ФУРМЕННОЙ ЗОНЫ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

Для оценки возможностей использования температуры торцевой стенки воздушной фурмы как показателя теплового состояния фурменного очага решена задача теплообмена в объеме фурменной полости, физическая постановка которой заключается в следующем. Известны форма, геометрические размеры полости, поля температур и состава газовой фазы в пределах фурменного очага, а также температура коксовой оболочки, ограничивающей полость. Непосредственно на верхнюю стенку фурмы поступает расплав (чугун, шлак), который разбрызгивается высокоскоростным потоком дутья до мельчайших капель, заполняющих некоторый объем полости. Физико-химические свойства и температура расплава известны. Требуется оценить величину плотности теплового потока на торцевую стенку воздушной фурмы, а также выявить влияние наиболее существенных факторов, определяющих этот тешювой поток.

Форму и размеры фурменного очага принимали на основе анализа и обобщения литературных данных. Поля температур и состава газовой фазы в пределах фурменного очага, а также температуру коксовой оболочки, ограничивающую полость, задавали, исходя из результатов вычислительного эксперимента по двумерной математической модели фурменного очага, разработанной ранее на кафедре "Металлургические печи" УГТУ-УПЙ. Указанная модель наиболее полно учитывает процессы теплообмена газа и материала, горения частиц кокса и угольной пыли в объеме фурменного очага, однако не учитывает в нем движение расплава. В то же время имеющиеся в литературе экспериментальные данные позволяют относительно точно оценить его поведение в объеме фурменной полости*, расплав в количестве 20-40 г/с попадает в фурменную по-

тость со стороны верхней стенки воздушной фурмы и интенсивно распыляется высокоскоростным потоком дутья до мельчайших Зрызг 0.25 мм). При моделировании движения расплава были приняты следующие допущения:

- частица расплава в виде шарообразной капли с известной начальной скоростью поступает в поток дутья со стороны верхней гтенки воздушной фурмы и выходит из него с определенной скоростью;

- вектор и величина его скорости совпадают с направлением и величиной скорости потока воздушного дутья на срезе фурмы, в процессе всего движения частицы скорость и направление потока остаются постоянными.

Необходимую для изменения движения частицы силу определили сложением векторов силы сопротивления и гравитационной силы, поскольку, в соответствии с законом Ньютона, все действующие на частицу силы должны находиться в равновесии. Эта сила определяется выражением ск

<3т

Здесь тр - масса частицы расплава, кг;

V - относительная скорость частицы расплава, м/с;

I V ( - модуль вектора скорости частицы, определяемый по выражению |у( -- -ух)2 + Уу2 , где уу - компоненты

вектора скорости частицы соответственно на оси ОХ и ОУ, м/с; уг - скорость потока газа, м/с;

рг - плотность газа, кг/м3;

Р - обтекаемое сечение частицы расплава, м*";

g - ускорение силы тяжести, м/с2; - коэффициент лобового сопротивления;

11е - число Рейнольдса, которое определяется выражением

Яе = —-!—,

>> .

\>г - коэффициент кинематической вязкости газа, м"/с;

<1 - диаметр частицы расплава, м.

Проектируя составляющие векторов указанных сил на оси ОХ и ОУ, приходим к системе дифференциальных уравнений относительно неизвестных компонентов вектора скорости частицы расплава ух и \'у

<3т ш

Р

1

---+

ах шр :

(б)

г* 110Т10тш.Т11#м 1?лттг»т»1ттт гтт/ т—П чг — тг —П «Г ^ ЛХрХЛ V Ч/ »X »у V.

В результате решения двумерной задачи движения частицы расплава в объеме фурменного очага было установлено, что при попадании в поток дутья с нулевой начальной скоростью частица движется по горизонтальной траектории; ее вертикальное отклонение в конце фурменной полости несущественно и во всех случаях не превышает 1 мм. В случае наличия вертикальной составляющей скорости ее поступления в поток дутья (5.0-5.5 м/с) вертикальное отклонение частицы в конце фурменной полости не будет превышать 8-9 мм. Время пребывания частицы в потоке дутья незначительно и составляет для базового варианта ~ 0.015 с. Повышение диаметра частицы расплава в 3 раза приводит к увеличению времени ее пребывания в потоке дутья ~ в 1.7 раза.

В дальнейшем с учетом данных о характере движения распла-

ВО тлитвпотпглт т »*пт>д«-\Г1Л тт*-*т» -г* пппг> т» /ч^ £И ж г* Дч* нч» #лттлг/> аттпгл Лт т.

1 п. I и иио^шь и 1 с* ина

ла решена задача оценки плотности теплового потока на торцевую стенку воздушной фурмы. В качестве метода решения использовался модифицированный метод потоков, или метод дискретизации интенсивности.

Математическое моделирование теплообмена в объеме фурменной полости показало, что тепловой поток на торцевую стенку воздушной фурмы в большей степени определяется температурным полем коксовой оболочки фурменного очага и его газовой фазы и в меньшей степени зависит от изменения температуры и количества расплава,

В частности, наличие расплава в объеме фурменной полости существенно (~ в 2 раза) повышает степень черноты ее газовой фазы с учетом диспергированных частиц расплава, вследствие чего суммарная поглощательная способность газового потока достигает -0.08, однако величина плотности теплового потока, поступающего на торцевую стенку воздушной фурмы, увеличивается при этом всего на 0.1 %. Колебания температуры расплава оказывают более существенное влияние на тепловое состояние торцевой стенки воздушной фурмы: снижение температуры расплава в объеме полости

та 50 °С приводит к понижению величины теплового потока на торцевую стенку фурмы на 7-8 %.

Следовательно, температура торцевой стенки имеет связь с тепловым состоянием не только коксовой оболочки и фурменного газа, но и температурой и количеством расплава в прифурменной эбласти. Однако в последнем случае эта связь носит скорее вероят-тостный, чем детерминированный, характер и в большей степени троявляется при существенных колебаниях теплового состояния чорна, что позволяет использовать температуру торцевой стенки юздушной фурмы как один из дополнительных показателей теплового состояния фурменной зоны.

На основании результатов исследований разработана усовер-ленствованная конструкция термодатчика торцевой стенки воздушной фурмы. В основу был положен способ измерения торцевой ггенки фурмы, предложенный сотрудниками Московского инсти-гута стали и сплавов и ЦНИИЧермета. Применение специальных *аполнителей, кабельных термопар и других усовершенствований в сонструкции датчика позволило повысить его надежность. Темпе-эатура фурменных зон оказалась относительно тесно связанной с токазателями теплового состояния горна. Анализ результатов вы-шслений взаимных корреляционных функций температуры фурменных зон и различных критериев, характеризующих тепловое состояние горна, показал возможность прогноза теплового состояния ) опережением на 1 -2 выпуска, что подтверждается экстремальным щачением этой функции для указанных интервалов времени неза-шсимо от вида используемого критерия теплового состояния гор-1а. При этом максимальное значение этой функции изменяется в тределах от 0,3 до 0,5. Дальнейший анализ динамики указанных тараметров показал, что для повышения тесноты связи необходимо гепользовать реализации, в которых колебания анализируемых сритериев сравнительно существенны по амплитуде и длительности ;ействия. Установлено, что при отклонении содержания кремния в 1угуне более чем на 0,1 % и длительности отклонений два и более щклов выпусков чугуна и шлака максимальное значение взаимной сорреляционной функции существенно возрастает и достигает ветчины 0,70-0,75 при сохранении возможности прогноза теплового гостояния печи с опережением на 1 -2 выпуска. При относительно «больших колебаниях теплового состояния, когда, как правило, и тет необходимости в коррекции теплового режима доменной плав-

ки, практически исключается возможность получения достоверной взаимосвязи температуры фурменных зон и содержания кремния в чугуне, а следовательно, и текущего прогноза изменения теплового состояния горна.

Таким образом, температура торцевой стенки воздушных фурм, тесно связанная с нагревом горна, может служить одним из показателей при оперативном контроле теплового состояния нижней части доменной печи.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1, Разработан кондуктивный способ контроля состояния огнеупорной кладки металлургических печей, позволяющий определять ее толщину, одновременно контролировать температуру рабочей среды (печных газов) в месте установки датчика и интенсивность теплообмена между рабочей средой и внутренней поверхностью футеровки. Показана возможность использования разработанного способа как для условий естественного (воздушного) охлаждения наружной стороны кладки, так и для условий водяного (испарительного) охлаждения.

2, Разработан промышленный вариант способа диагностики состояния кладки, в основу которого положено математическое решение прямой и обратной задачи диагностики состояния огнеупорной футеровки по ее температурному полю. Решение, полученное для случая нестационарного изменения температурных полей, позволяет определять (прогнозировать) изменение толщины огнеупорной кладки и тепловые нагрузки на кладку и холодильники. При этом основной информацией для расчета указанных параметров являются значения температур в отдельных точках по толщине футеровки металлургической печи (без дополнительных вкладных элементов),

3, Разработана и прошла опытно-промышленные испытания на доменных печах система диагностики состояния огнеупорной футеровки, включающая в себя подсистему регистрации температур в кладке, математическое и программное обеспечение, позволяющее рассчитать степени ее износа и тепловые нагрузки. В ходе испытаний разработанной системы подтверждена ее достаточная надежность в эксплуатации и достоверность при определении данных о тепловом состоянии кладки и степени ее износа. Исследова-

ния статистическом взаимосвязи расчетных величин тепловых нагрузок в кладке и содержания кремния в чугуне показало, что информацию о тепловом состоянии футеровки можно использовать в качеотве дополнительного показателя для прогноза существенных изменений теплового режима плавки.

4. Решена задача движения частицы расплава в объеме фурменной полости, на основании которой определена траектория ее движения, рассчитаны компоненты вектора относительной скорости одиночной частицы и время ее пребывания в потоке. На основании результатов этого решения установлена зона распределения частиц расплава в объеме фурменной полости и показано, что при попадании в поток дутья частица движется по горизонтальной траектории, а ее вертикальное отклонение в конце фурменной полости несущественно.

5. Разработана математическая модель теплообмена в объеме фурменного очага, с помощью которой оценена величина плотности теплового потока на торцевую стенку воздушной фурмы. Показано, что появление частиц расплава хотя и приводит к существенному увеличению степени черноты газа (- в 2 раза), однако незначительно влияет на величину плотпости теплев его потока па тср~ цевую стенку воздушной фурмы, который при этом увеличивается на 0.1%. Более существенное влияние на величину последнего оказывает изменение температуры расплава. Снижение этой температуры на 50 °С приводит к понижению величины теплового потока на торцевую стенку фурмы на 7-8 %. Температура торцевой стенки имеет связь с тепловым состоянием расплава в прифурменной области, однако эта связь носит скорее вероятностный, чем детерминированный, характер и в большей степени проявляется при существенных колебаниях теплового состояния горна.

6. Разработана и прошла опытно-промышленные испытания усовершенствованная система контроля теплового состояния фурменных зон доменной печи по измерениям температуры передней стенки воздушных фурм. Установлено, что температура фурменных зон относительно тесно связана с показателями теплового состояния горна. На основании анализа результатов вычислений взаимных корреляционных функций температуры фурменных зон и этих показателей показана возможность прогноза теплового cool

стояния с опережением на 1 -2 выпуска. Это подтверждает возможность использования термодатчиков для оценки и прогноза теплового состояния фурменной зоны доменной печи.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Патент Российской Федерации, SU 1838743 A3. Способ контроля работы печи / Н.А.Спирин, В.С.Новиков, Ю.В.Федулов. В.В.Мадисон, М.Ф.Сафронов, В.В.Лавров и др. Заявл. 22.11.91. Опубл. 30.08.93. Бюл. № 32.

2. Патент Российской Федерации, RU 2025495 С1. Способ контроля теплообмена в доменной печи / Н.А.Спирин. В.С.Новиков, М.Ф.Сафронов, В.С.Швыдкий, Ю.Г.Ярошенко. В.В.Лавров, Ю.Н.Овчинников. Заявл. 4.06.92. Опубл. 30.12.94. Бюл. N24.

3. Спирин H.A., Новиков B.C., Лавров В.В. Разработка методов контроля процессов в шахтных печах // Материалы Всесоюз-нрй научно-технической конференции "Средства и системы авто. матического контроля и управления технологическими процессами

в металлургии". Свердловск: УПИ. 1991. С. 36-37.

4. Швыдкий B.C., Лавров В.В., Спирин H.A. Математическая модель системы диагностики состояния футеровки: доменных печей // Научные основы конструирования металлургических печей: Международная конференция. Днепропетровск: Пороги, 1993. С. 10-11.

5. Разработка нового способа диагностики состояния огне-упррной футеровки металлургических печей / КА.Спирин, Ю.Н.Овчинников, В.В.Лавров, В.С.Швыдкий // Там же. С. 11-13.

6. Прогноз температурных полей газа и материала в шахте доменной печи / Н.А.Спирин, В.С.Новиков, Ю.В.Федулов, В.С.Швьщкий, В.В.Лавров//Сталь. 1995. № 12. С. 12-16.

7. Прогноз теплового состояния низа доменной печи по тем-nepaiype фурменной зоны / Ю.В.Федулов, А.М.Поляков, Н.А.Спирин, В.В.Лавров // Известия вузов. Черная металлургия. 1995. № 5. С. 54-56/

8. Лавров В.В., Поляков A.M., Гусев A.A. О представительн-сти контроля теплового состояния низа доменной печи по температуре фурменной зоны // Современные аспекты металлургии получениями обработки металлических материалов: Сб-к. Екатеринбург: УГТУ, 1995. С.115.

9. Спирин H.A., Лавров В.В., Гусев A.A. Диагностика состояния футеровки доменных печей по температурному полю кладки // Там же. С. 116.

10. Новые методы диагностики состояния футеровки металлургических печей /H.A.Сгтирин, Ю.В.Федулов, В.С.Швыдкий, В.В.Лавров // Экология и теплотехника: Международная конференция. Днепропетровск, 1996.

Подписано в печать 23.08.96 Формат 60x84 1/16

Бумага типографская Плоская печать Усл. п.л. 1.39

Уч.-год.л. 1.28 Тираж 100 Заказ 355 Бесплатно

Редакционно-издательский отдел УГТУ 620002, Екатеринбург, Мира, 19 Ротапринт УГТУ. 620002, Екатеринбург, Мира, 19