автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка и внедрение метода аналитического исследования доменного процесса на основе комплекса двумерных математических моделей

РГ

О ОД

РОССИЙСКАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УРАЛЬСКОЕ ОТДЕЛЕНИЕ ИНСТИТУТ МЕТАЛЛУРГИИ

На правах рукописи

Дмитриев Андрей Николаевич

РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ МЕТОДА АНАЛИТИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ДОМЕННОГО ПРОЦЕССА НА ОСНОВЕ КОМПЛЕКСА ДВУМЕРНЫХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

Специальность 05.16.02 - металлургия черных металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Екатеринбург - 1997

,нц<

риге 1ШЕТ УрО РАН не::

Работа выполнена в Институте металлургии Уральского отделения Российской Академии Наук

Научный консультант доктор технических наук, профессор

Шаврин С. В.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, академик РАН

доктор технических наук, профессор

доктор технических наук, профессор

Леонтьев Л. И. Ярошенко Ю.Г. Пластилин Б.Г.

Ведущее предприятие: ОАО "Нижнетагильский металлургический комбинат"

Защита состоится " 10 " октября 1997 г. в 1Э°° час на заседании диссертационного совета Д 002.01.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора наук при Институте металлургии УрО РАН по адресу: 620016, г.Екатеринбург, ул. Амундсена, 101.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института металлургии УрО РАН.

Автореферат разослан " 12 " августа 1997 г.

Ученый секретарь диссертационного .

совета, доктор химических наук ¿Мл /}п)иЛЫ Кайбичев A.B.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Доменный процесс характеризуется многообразием и сложностью явлений газодинамики, движения шихты, теплообмена, восстановления, размягчения и других. Исследование этих явлений в доменной печи с целью выявления резервов эффективности ее работы - снижения расхода кокса и повышения производительности - сопряжено с большими финансовыми, технологическими и техническими трудностями. Поэтому использование математических моделей в изучении доменной плешки, при разработке систем контроля и управления доменным процессом имеет большое значение. Роль математических моделей возрастает при недостатке информации о явлениях, происходящих в печи, такой как температуры шихты и газа, давление и состав газа, степени восстановления железа в объеме печи.

Характерная особенность доменного процесса - завершенность теплообмена, связанная с противоточным движением шихты и газа и различным теплопотреблением в верхней и нижней зонах печи. Это обеспечивает высокую степень использования тепла в доменной печи и делает ее по прежнему перспективным агрегатом для производства чугуна. Однако неравномерность распределения потоков шихты и газа по радиусу и окружности печи, связанная с особенностями фурменного подвода дутья, систем загрузки, профиля печи, вызывает и неравномерное развитие явлений газодинамики, теплообмена, восстановления в объеме печи. В снижении этой неравномерности и кроется, наряду с повышением качества железорудного сырья, один из основных резервов снижения расхода кокса и повышения производительности доменной печи. Изучение, учет и прогноз явлений доменной плавки на основе математических моделей при радиальной и окружной неравномерности во взаимосвязи с изменением параметров дутья и систем загрузки, состава шихты и качества железорудного сырья, элементов конструкции печи, - необходимое условие совершенствования технологии доменной плавки.

Известные математические модели доменного процесса не охватывают все задачи, которые, как в отдельности, так и в различных сочетаниях, представляют большой практический интерес, например.

анализ влияния металлургических свойств железорудного сырья (восстановимое™, прочности, температур размягчения и плавления) на показатели доменной плавки в условиях неравномерного движения потоков шихты и газа; аналитическое исследование доменной плавки новых видов комплексного сырья, планируемых к использованию в связи с истощением железорудной базы Урала, в том числе, в условиях уменьшения запасов коксующихся углей; исследование влияния конструктивных элементов на характер двумерных температурных и скоростных полей и оптимизация профиля доменной печи; исследование явлений доменной плавки при разработке новых технических решений; анализ и выдача рекомендаций при аномальных явлениях доменной плавки - окружной неравномерности, кризисном явлении в рудном гребне, тихом ходе, нарушении графика выпусков; определение эффективности мероприятий, направленных на снижение расхода кокса, сравнение эффективности работы доменных печей, находящихся в различных сырьевых и дутьевых условиях и др.

Поэтому актуальной является разработка аналитического метода исследования доменного процесса, позволяющего решать эти задачи.

Работа выполнялась в соответствии со следующими программами и постановлениями:

- ГНТП "Ресурсосберегающие и экологически безопасные процес- ■ сы горно-металлургического производства (ЭКОГОРМЕТКОМПЛЕКС БУДУЩЕГО)";

- постановление АН СССР и МЧМ СССР № 470/122 от 20.02.86 "Разработка мероприятий по совершенствованию технологии переработки концентратов Лисаковского ГОКа в доменных печах Карметком-бината".

- госбюджетные темы Института металлургии УрО РАН: "Изучение металлургических свойств железорудных материалов и математическое моделирование процессов тепло- и массообмена в металлургических процессах при производстве чугуна" (№ гос. per. 81030359); "Изучение металлургических свойств железорудных материалов и разработка математических методов анализа слоевых металлургических процессов" (№ гос. per. 0186120764); "Исследование и разработка технологических схем переработки комплексного железорудного сырья на основе экспериментального и математического моделирования слоевых пирометаплургических процессов"; "Разработка технологии металлургического передела комплексных руд Урала с применением атомной

энергии", (№ гос. per. 79003865), которые были включены в координационные планы научно-исследовательских работ по направлениям 2.26 РАН "Разработка физико-химических основ и процессов комплексного использования металлургического сырья", "Разработка теории и технологии пирометаплургических и электротермических процессов производства металлов и сплавов".

Цель работы. Разработка метода аналитического исследования доменного процесса на основе комплекса двумерных математических моделей, позволяющего проводить машинный эксперимент по изучению явлений доменной плавки, в том числе для новых технических решений и при отклонениях от нормального режима работы, анализировать влияние различных параметров, включая металлургические свойства комплексного железорудного сырья, на показатели доменной плавки и температурные поля шихты и газа, местоположение и форму зоны ко-гезии, с учетом неравномерности потоков шихты и газа, что связано с решением следующих задач:

- разработка комплекса двумерных математических моделей;

- проверка адекватности и адаптация моделей;

- анализ влияния параметров шихты и дутья на характер двумерных и трехмерных температурных и скоростных полей;

- исследование аномальных явлений доменной плавки;

- анализ изменения процессов газодинамики и теплообмена в объеме доменной печи при использовании новых технических решений;

- целенаправленное формирование качества железорудного сырья и промышленное исследование влияния его восстановимости на показатели доменной плавки;

- изучение использования высокопотенциального тепла при переработке комплексного железорудного сырья;

- разработка методики и определение эффективности мероприятий, направленных на снижение расхода кокса.

Научная новизна. Разработан новый метод аналитического исследования доменного процесса, предусматривающий двумерный контроль и прогноз газодинамических и температурных полей в любом вертикальном сечении печи при изменении параметров дутья и систем загрузки, состава шихты и качества железорудного сырья, элементов конструкции (высов и диаметр фурм, объем и профиль печи).

В основу метода положен комплекс двумерных математических моделей доменного процесса, включающий модели газодинамики, теп-

лообмена, восстановления, а также балансовую, позволяющую определить расход кокса, расход дутья, выход газа, температуру фурменного очага, используемые как входные параметры двумерных моделей.

Каждая из составляющих комплекса математических моделей обладает элементами новизны:

- Балансовая (равновесная) математическая модель. На основании анализа работы многих доменных печей принято, что в определенной зоне печи на стадии восстановления магнетита реакция восстановления вюстита стремится к термодинамическому равновесию, которое связано с фактически реализуемым в доменной печи зональным режимом восстановления оксидов железа и реакциями регенерации СО и Н2, зависящими от давления. Эта модель позволила разработать новую методику определения эффективности доменной плавки.

- Математическая модель газодинамики. Практически реализована методика расчета газодинамической сетки и поля скоростей газа с использованием теории функций комплёксного переменного при решении задачи о точечном источнике. Учитывается реально существующий в доменной печи закон изменения давления по высоте.

- Математическая модель теплообмена. Получено аналитическое решение задачи о нагреве слоя при противоточном движении шихты и газа в случае произвольного изменения по высоте печи коэффициента теплоотдачи, теплоемкости потока газа и отношения теплоемкостей потоков шихты и газа, с использованием поля скоростей газа.

- Математическая модель восстановления. Выполнено численное решение системы дифференциальных уравнений массообмена и восстановления при введении в нее в явном виде модуля скорости газа, получаемого из математической модели газодинамики, а также с учетом зависимости суммарного коэффициента массообмена как от температуры, так и от степени восстановления.

Практическая ценность работы заключается в создании нового метода исследования доменного процесса, существенно расширяющего круг решаемых задач. Это иллюстрируется:

- исследованием температурных и скоростных полей при аномальных явлениях доменной плавки - кризисном явлении в рудном гребне, неравномерном распределении дутья и угольной пыли по фурмам, тихом ходе, нарушении графика выпусков,- и выработкой рекомендаций по их устранению;

- анализом температурных и скоростных полей при использова-

нии новых технический решений в доменном производстве с целью повышения их эффективности - обогащение дутья кислородом, вдувание угольной пыли, изменение профиля доменной печи;

- выполнением анализа местоположения и формы зоны когезии при плавке титаномагнетитовых и бурохромистых руд;

- решением задач целенаправленного формирования структуры и металлургических свойств агломерата, позволяющих снизить расход кокса в доменной плавке;

- проведением анализа повышения эффективности переработки комплексного сырья путем использования высокопотенциального тепла;

- разработкой метода определения эффективности мероприятий, направленных на снижение расхода кокса, и сравнения эффективности работы доменных печей, находящихся в различных условиях;

- выполнением анализа эффективности работы доменных печей металлургических предприятий России.

Реализация результатов работы. Разработанный метод аналитического исследования доменного процесса на основе комплекса математических моделей был использован при выполнении следующих работ:

- Расчетный анализ эффективности работы доменных печей ВПО "Союзметаллургпром" в 1976-1982 годах. В результате этой работы согласно приказу № 137 от 06.06.83 МЧМ СССР методику расчета было рекомендовано использовать для оценки эффективности работы доменных печей и эффективности мероприятий, направленных на снижение расхода кокса.

- Расчетный анализ эффективности работы доменных печей ВПО "Союзметаллургпром" в 1986-1988 годах.

- Внедрение. технологии агломерации и доменной плавки агломерата из бурохромистой руды с пониженной массовой долей монооксида железа на металлургическом заводе им.А.К.Серова в декабре 1983 г. В результате уменьшения РеО на 2, 5% расход кокса был снижен на 1,4 кг на тонну чугуна. Долевой экономический эффект Института металлургии составил 108012 рублей в год.

- Внедрение технологии агломерации и доменной плавки агломерата из лисаковского фосфористого агломерата с пониженной массовой долей монооксида железа на Карагандинском металлургическом комбинате в январе-апреле 1986 года. При уменьшении РеО на

3% расход кокса был снижен на 3,2 кг на тонну чугуна. Долевой экономический эффект Института металлургии составил 139125 рублей при общем эффекте 927498 рублей в год.

- Внедрение комплекса математических моделей на Нижнетагильском металлургическом комбинате и Чусовском металлургическом заводе для решения практических задач доменных цехов.

- Внедрение комплекса математических моделей в Уральском государственном техническом университете - Уральском политехническом институте. Карагандинском металлургическом институте (г.Те-миртау, Республика Казахстан), Магнитогорской горно-металлургической академии путем использования в учебном процессе.

Апробация работы. Материалы работы доложены и обсуждены на международных, всесоюзных, республиканских конференциях, совещаниях, семинарах: Всесоюзных семинарах "Проблемы автоматизированного управления доменным производством", Киев, 1979, Жданов, 1985, Киев, 1987; Шестой научно-технической конференции УПИ, Свердловск, 1980; Научно-технической конференции "Применение вычислительных средств для расчета металлургических агрегатов", Свердловск, 1980; Совете директоров ВПО "Союзметаллургпром", Новокузнецк, 1983; Первом и Втором координационных совещаниях "Разработка теоретических основ создания металлургических комплексов' на новой металлургической основе", Москва, 1981, 1983; Второй областной конференции "Актуальные проблемы атомной науки и техники", Свердловск, 1985; Научно-техническом семинаре "Газодинамика и механика движения газов в шахтных печах", Свердловск, 1986; Всесоюзном симпозиуме "Кинетика, термодинамика и механизм процессов восстановления", Москва, 1986; Научно-технической конференции "Пути улучшения газомеханики металлургических шихт", Караганда, 1987; Всесоюзной научно-технической конференции "Физико-химия процессов восстановления металлов", Днепропетровск, 1988; Восьмой Международной конференции доменщиков "ВИТК0ВИЦЕ-1989", Острава, ЧССР, 1989; Шестом Всесоюзном совещании по химии, технологии и применению ванадиевых соединений. Нижний Тагил, 1990; Национальной научно-технической конференции с международным участием "Новые и усовершенствованные технологии для окускования сырья и производства чугуна и ферросплавов", Варна, Болгария, 1990; Седьмом Всероссийском совещании по химии,технологии и применению ванадиевых соединений, Чусовой, 1996; Первой конференции "Новые техноло-

гии в металлургии", Магнитогорск, 1997.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 39 печатных работ и получено 1 авторское свидетельство.

Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 291 стр., включая 187 стр. основного текста, 74 рисунка, 37 таблиц, состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованной литературы из 269 наименований и 4 приложений.

На защиту выносится. Новое крупное достижение в развитии теории металлургических процессов - метод аналитического исследования доменного процесса на основе разработанного комплекса двумерных математических моделей.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

Энергетической основой черной металлургии является кокс,

вместе с его производными коксовым и доменным газами покрывающий свыше половины потребностей отрасли в топливе. В доменной плавке расходы на кокс составляют до 45 % затрат на получение чугуна и оказывают значительное влияние на его себестоимость. Поэтому существенное сокращение расхода кокса при минимизации общих энергозатрат должны рассматриваться как важная проблема при разработке и совершенствовании технологических процессов и схем переработки комплексных железных руд, являющихся сырьевой базой черной металлургии Урала.

В практике доменного производства расход кокса как энергоносителя (источника тепла и восстановителя) снижают, в основном, двумя путями.

Во-первых, за счет использования экстенсивных факторов - повышение содержания железа в шихте, использование прямых заменителей кокса (природного газа, угольной пыли, восстановительного газа, в том числе колошникового с отмывкой его от диоксида углерода), увеличение температуры дутья, применение высокопотенциального тепла и т. д.

Во-вторых, за счет использования интенсивных факторов - повышение степени использования тепловой и восстановительной энер-

гии газов в результате улучшения качества железорудного сырья и кокса. Эта группа факторов позволяет уменьшить расход кокса в доменной печи без значительных капитальных затрат за счет совершенствования технологических процессов подготовки материалов и доменной плавки.

Предел совершенствования доменного процесса определяется термодинамическим равновесием в отдельных зонах печи. Задание условий в этих зонах позволяет рассчитать минимальный (предельно достижимый при конкретных условиях работы печи) расход кокса и соответствующие ему основные показатели доменной плавки.

Современные доменные печи оборудованы сложными системами сбора и обработки информации. Однако, доступ к информации о явлениях, происходящих внутри печи, ограничен проводимым эпизодически вертикальным и горизонтальным зондированием и несколькими выполненными во всем мире разборками "замороженных" доменных печей. На примере зоны когезии показана сложность экспериментального изучения доменной плавки.

В решении задач совершенствования технологии доменной плавки все большее значение приобретает использование математических моделей доменного процесса.

Большое внимание разработке математических моделей доменного' процесса уделяли известные ученые России и СНГ А.Д. Готлиб, Б.А.Боковиков, И.Н.Захаров, Б.И.Китаев, И.Ф.Курунов, В.И.Логинов, А. Н. Похвиснев, А. Н. Рамм, И. Г. Товаровский, Б. С. Фиалков, А. В. Чен-цов, С.В.Шаврин, В.С.Швыдкий, Ю.С.Юсфин, Ю.Г.Ярошенко и др., зарубежные ученые В.Богданди, Я. Мишар , Р.Линдер, Дж.Писи, А. Рист, Т. Сугияма, С. Зрган и др., институты ВНИИМТ, ИМет УрО РАН, МИСиС, УГТУ-УПИ, фирмы Австралии, Индии, Франции, Канады, Японии и других стран.

Достигнуты большие успехи в области разработки и использования математических моделей в доменном производстве. Известно большое количество моделей различной степени сложности. В диссертации проанализирован ряд математических моделей с указанием практических задач, решаемых на их основе.

Немаловажная причина, которая заставляет исследователей доменного процесса разрабатывать собственные математические модели, - недоступность полного описания (алгоритма) и поэтому невозможность воспроизведения разработанных другими авторами моделей, что

- И -

является также причиной затруднений при сравнительном их анализе.

По нашему мнению, оценку значимости разработанных математических моделей доменного процесса целесообразно производить сравнением количества и важности решаемых на их основе практических задач, а сложность разрабатываемых математических моделей должна определяться конкретно решаемыми задачами, которые вытекают из цели работы.

Наибольший интерес для технологов представляет введение в математические модели качественных характеристик железорудного сырья и топлива, учет многомерности явлений доменной плавки.

Математические модели доменного процесса должны обладать такими важными свойствами как наглядная форма представления результатов расчета и удобство их анализа. Переход от балансовых моделей к одномерным, а далее к двумерным и трехмерным предъявляет все большие требования к представлению, обработке и анализу результатов расчета.

На основании аналитического исследования сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

2. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДОМЕННОГО ПРОЦЕССА

В соответствии с целью настоящей работы, физическая формулировка задачи заключается в следующем. В шахтной печи заданного профиля непрерывным потоком вдоль линий тока навстречу друг другу движутся газ и шихта с заданными начальными температурами. Предполагается, что фурменный очаг служит точечным источником газа и стоком материала, а поля скоростей шихты и газа подобны.

Теплоемкость потока газа и суммарный коэффициент теплоотдачи являются функциями координаты, т. е. скорости газа в данной точке; температуры начала размягчения и плавления, кроме химического и минералогического состава, являются еще и функцией степени восстановления.

При такой постановке задачи можно ограничиться следующими математическими моделями: балансовой (равновесной), газодинамики, теплообмена, восстановления, зоны когезии.

Балансовая (равновесная) математическая модель. В основе математической модели лежат следующие предпосылки. Теплообмен в до-

менной печи завершен, т.е. на определенной части высоты существует малый перепад температур между газом и шихтой. В определенной зоне печи на стадии восстановления магнетита реакция восстановления вюстита стремится к термодинамическому равновесию.

Это предположение сделано на основании анализа работы 33 доменных печей ВПО "Союзметаплургпром" за 10 лет, который показал, что состав газа на стадии восстановления магнетита близок или в некоторых случаях равен равновесному по реакции восстановления вюстита. Фактические значения состава газа на этой стадии определяются по составу колошникового газа путем исключения из него кислорода, выделяющегося при переходе гематита в магнетит.

Решение системы уравнений для нижней зоны, представленной условием термодинамического равновесия, а именно константой равновесия реакции восстановления вюстита оксидом углерода, материальным и тепловым балансами, дополненной уравнением теплового баланса для верхней зоны, позволяет рассчитать основные показатели доменной плавки. Определенные таким образом показатели являются предельно достижимыми (минимальными) при данных параметрах шихты и дутья.

Особенностью данной математической модели является то, что в ней используется предположение о термодинамическом равновесии, связанное с фактически реализуемым в доменной печи зональным режимом восстановления оксидов железа и реакциями регенерации СО и Н2. В модели используются зональные тепловые балансы. Расчеты ведутся без задания степени прямого восстановления и температуры колошникового газа. Применение фактических степеней использования газа вместо равновесных позволяет определить фактические показатели доменной плавки, что является принципиально важным.

В качестве добавок к дутью используются, кроме природного газа, мазут, угольная пыль, восстановительный газ. Имеется возможность анализа работы доменной печи с использованием новых видов сырья - металлизованного и частично восстановленного, а также высокопотенциального тепла.

Математическая модель газодинамики. В основу математической модели газодинамики доменной плавки положен известный подход к решению задачи о точечном стоке или источнике.

Постановка задачи с граничными условиями, отражающими факта-

ческое давление газа на колошнике и фурмах доменной печи, представлена уравнениями

й ф (12ф

—7Г + —= 0;

ей2 с1г

с12ф с12ф

—г + —р- = 0;

сШ2 йг

г-Я, Фо =

Ф

0;

Кр-(Рф-Рк) Ь=н, --0;

(1)

кр-(Р»-Рк)

Решение задачи осуществлено методом конформных отображений с использованием интеграла Кристоффеля-Шварца для плоскостей, проходящих через ось доменной печи и оси воздушных фурм. Получены формулы и разработаны алгоритм и программа расчета в комплёксной области. Скорость газа в каждой точке в общем случае является функцией координаты этой точки.

Нп

г = — ?(х,\ц). К1

í =

1-З1П262 -к2 5пг3

к1г+з1п2б2-к22 - [1-Бпгб]

(2)

-» V.

2-кр-уГк2У1-а8-к2г-5пб1

Л-Р-[б2 + (1-52)]-зп2б1

(3)

С целью приближения математической модели газодинамики к реальным условиям введены коэффициенты адаптации:

1.Коэффициент, показывающий, во сколько раз фактическая протяженность двумерной зоны движения газа больше расчетной.

2. Коэффициент кр, учитывающий нелинейное изменение перепада давления по высоте доменной печи.

Результатами расчета являются выводимые на экран дисплея изображения газодинамической сетки движения, которая является неравномерной, и поля скоростей газа (т.е. значения скоростей в узлах сетки).

Математическая модель теплообмена. В основу математической модели теплообмена доменной плавки положена известная задача о

нагреве слоя при противоточном движении шихты и газа. Постановка задачи с граничными условиями, отражающими завершенность теплообмена и деление рабочего пространства печи на две зоны, представлена следующими зависимостями

«гв№)-8(М• сг,.(й)--^«1)3-ап 1 л-н, ьт'

/ (4)

ИгМ-^^уСМ-ВЙЫММ-^НОЗ'® т(М=1, сИ„ _ сИг

шГ " сйТ ''

На основании сопоставления линий тока и линий равных скоростей газа, рассчитанных по модели газодинамики, с траекториями опускания частиц шихты и линиями равных скоростей движения шихты, известных из литературных данных, сделано допущение о подобии полей скоростей шихты и газа.

Особенностью решения системы уравнений является введение в нее переменных по высоте печи коэффициента теплоотдачи и теплоемкости потока газа, в формулы для определения которых входит модуль скорости газа, найденной с помощью математической модели газодинамики.

Получены формулы для расчета температур газа и шихты в любой точке печи.

С целью приближения математической модели теплообмена к реальным условиям введены следующие параметры адаптации:

1. Распределение температуры начала реакции прямого восстановления по радиусу печи.

2. Распределение отношения теплоемкостей потоков шихты и газа, определяемое по совпадению расчетного и экспериментального распределений температур по радиусу колошника.

Результатами расчета являются выводимые на дисплей изотермы шихты и газа, а также распределения температур шихты и газа в любом горизонтальном или вертикальном сечении, используемые при адаптации модели и для анализа явлений.

Математическая модель восстановления. В математической модели теплообмена явления массообмена и восстановления явно не показаны, а выражены через изменение отношения теплоемкостей потоков шихты и газа по высоте, поэтому для анализа влияния качества сырья на характер зоны когезии разработана математическая модель восстановления.

В основу математической модели восстановления оксидов железа положена система дифференциальных уравнений массообмена и восстановления с граничными условиями — ----- ------------ -

уг •(ЗС=-Кзуо е"(Е/КТ) • (1-фр8) -С-сШ | Ь-0. ъ* =Фрео | (5) т*^Фре=сЗС ], 11=0, С = С0 ].

Особенностью системы уравнений является введение в нее в явном виде модуля скорости газа, получаемой из математической модели газодинамики, а также зависимость суммарного коэффициента массообмена как от температуры, так и от степени восстановления.

Эта система уравнений решена численным методом, с предварительным проведением интерполирования входящих в систему переменных. Для этого применили метод сплайн-функций - интерполяцию обобщенными кубическими сплайнами, а именно, рациональным сплайном, позволяющим интерполировать функции с большими градиентами.

Результатами расчета являются поля степеней восстановления железа и концентрационных потенциалов газа.

Математическая модель зоны когезии. Использование разработанных математических моделей газодинамики, теплообмена и восстановления с их особенностями приводит к тому, что расчетная форма зоны когезии, ее толщина и положение по высоте доменной печи определяются:

- характером неравномерности температурного поля, зависящего от системы загрузки, положения фурменного очага, профиля шахты и изменения газодинамического сопротивления по высоте доменной печи;

- температурами размягчения и плавления железорудного материала, зависящими от степени восстановления.

Комплекс двумерных математических моделей доменного процесса. Разработаны алгоритм и программа расчета, которая реализована на персональной ЭВМ. Расчеты проводятся по схеме, приведенной на рис.1. Данные для расчета берутся из базы данных. Вычисления с использованием комплекса двумерных математических моделей ведутся в цикле до совпадения результатов расчетов в двух последних циклах с заданной точностью.

Особенностями, отличающими предлагаемый комплекс математических моделей от других известных моделей, являются:

Рис. 1 Структурная схема комплекса двумерных математических моделей

1. Математическая модель газодинамики, основанная на решении задачи о точечном источника, позволяет моделировать неравномерность, создаваемую фурменным очагом, и определять вектор и модуль скорости газа в любой точке шахты печи.

2. Последняя особенность модели газодинамики позволила при разработке математических моделей теплообмена и восстановления

использовать расчетное поле локальных скоростей газа.

3. Предположение о подобии полей скоростей движения шихты и газа, используемое в математической модели теплообмена, позволяет обойтись без модели движения шихты.

4. Для замыкания расчетов в цикле по всем математическим моделям и расчета ряда параметров, например, расхода дутья и температуры фурменного очага, используемых как входные в других моделях, предназначена балансовая математическая модель.

5. Для расширения возможностей комплекса двумерных математических моделей и приближения его к реальным условиям доменной плавки введены коэффициенты адаптации.

6. Составляющие комплекса математических моделей могут использоваться самостоятельно, например, балансовая, или балансовая вместе с моделями газодинамики и теплообмена.

7. При расширении круга решаемых задач комплекс математических моделей может легко расширяться за счет новых математических моделей.

В отличие от других известных математических моделей, позволяющих решать ограниченное количество практических задач, предложенный новый комплекс математических моделей позволил разработать метод аналитического исследования доменного процесса за счет использования заложенных в него возможностей изменения в широких пределах входных параметров: дутья, систем загрузки, состава доменной шихты и качества железорудного сырья, элементов конструкции печи. Это позволяет рассчитать скорости газа, температуры шихты и газа, степени восстановления железа в любой точке рабочего пространства доменной печи.

О преимуществах разработанного комплекса математических моделей свидетельствует большое количество изложенных в разделал 4-6 впервые решенных задач, имеющих как теоретическое, так и практическое значение.

Комплекс математических моделей доведен до товарного продукта в виде программы на персональном компьютере с высокими потребительскими свойствами - наглядность представления результатов расчета в графической форме и возможность обработки и анализа получаемых изображений. Эта программа используется на ряде предприятий и учебных заведений, что подтверждается приведенными в диссертации актами внедрения.

3. АДАПТАЦИЯ И ПРОВЕРКА АДЕКВАТНОСТИ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

Адаптация балансовой (равновесной) математической модели проводится путем определения коэффициентов адаптации, воздействующих на состав колошникового газа и выход шлака.

Адекватность балансовой (равновесной) математической модели проверена по совпадению фактических и расчетных показателей плавки (расход кокса, расход дутья, выход шлака, температура и состав колошникового газа) для доменных печей, работающих в близких к равновесным условиях, а также для печей, работающих в отличающихся от равновесия условиях при подстановке вместо равновесной степени использования газа фактической.

Адекватность разработанной балансовой математической модели подтверждается также соответствием рассчитанных и фактических коэффициентов влияния различных технологических факторов на показатели доменной плавки.

Адаптация двумерной математической модели проведена путем определения коэффициентов адаптации по совпадению характера распределения фактических и расчетных значений температур газа на трех горизонтах доменной печи № 9 ММК.

Адекватность двумерной математической модели проверена по информации о работе доменной печи объемом 2300 м3 завода им.Ильича по совпадению характера расчетных и фактических распределений температур по радиусу на среднем и нижнем горизонтах с использованием информации о фактическом распределении температуры газа по радиусу на верхнем горизонте.

4. АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ ДОМЕННЫХ ПЕЧЕЙ

Расчет коэффициентов компенсации. Использование балансовой математической модели позволяет определить коэффициенты компенсации, т.е. влияние различных входных параметров (технологических факторов) на показатели доменной плавки - расход кокса, производительность и другие выходные параметры.

С помощью этой модели можно определить влияние на показатели доменной плавки, кроме обычных, таких параметров, как восстановительный газ, высокопотенциальное тепло, температура продуктов плавки, степень использования газа, степень завершенности тепло-

обмена и др. Показано, что коэффициенты компенсации зависят от условий работы конкретной доменной печи. Установлено, что наибольший резерв экономии кокса и повышения производительности доменных печей заключается в улучшении восстановимости железорудного сырья, а также в использовании высокопотенциального тепла.

Определение эффективности работы доменных печей и эффективности мероприятий, направленных на снижение расхода кокса. На практике эффективность мероприятий, направленных на снижение расхода кокса, определяют путем приведения показателей опытного периода к базовому с помощью таблицы влияния технологических факторов на удельный расход кокса и производительность доменной печи.

Разработанная балансовая (равновесная) модель позволяет использовать принципиально другой подход. Рассчитанные по этой модели при подстановке равновесных степеней использования газа расход кокса и другие показатели доменной плавки являются минимальными при существующих параметрах шихты и дутья. Разность между фактическим Кфзкг и расчетным КрЗСЧ расходами кокса характеризует эффективность работы доменной печи и представляет собой резерв снижения расхода кокса за счет повышения степени использования восстановительной энергии газа.

Определение эффективности работы доменных печей производится следующим образом

Расход кокса, кг/т чугуна

'Красч!

'Кфакт2

'Кра'сч2

"1-5

Период работы доменной печи или № доменной печи

1. Резерв снижения расхода кокса

ДК1 = КфЗКт1 - Красч1, кг/т чугуна, (6)

дк2 = Кф акт2 Красч2- КГ/'Т чугуна. (7)

2. Эффективность мероприятий, направленных на снижение расхода кокса

ДК12 = ÄKj-ДКг • кг/т чугуна, (8)

+ - экономия кокса, — перерасход кокса.

Оценка и сравнение эффективности работы доменных печей, находящихся в различных условиях. Разработанная методика анализа эффективности была применена для исследования работы 33 доменных печей основных предприятий ВПО "Союзметалпургпром" за периоды 1976-1982 и 1986-1988 гг.

Установлено, что на большинстве доменных печей существует значительный резерв по снижению расхода кокса. Пути его уменьшения следующие:

- повышение прочности железорудного сырья, позволяющее совершенствовать газораспределение (снижать радиальную неравномерность) с целью повышения степени использования газа;

- увеличение восстановимости железорудного сырья, позволяющее приблизить степень использования газа на стадии восстановления магнетита к равновесной.

Предельное снижение расхода кокса за счет повышения восстановимости. Повышение восстановимости железорудного сырья позволяет, по нашему мнению, реализовать стадийный режим восстановления, при котором восстановление оксидов железа происходит последовательно, в отличие от зонального, когда восстановление оксидов' совмещается. При этом достигается действительное равновесие на стадии восстановления магнетита, при котором состав газа соответствует равновесному по этой реакции.

Расчетами показано, что при переходе от зонального к стадийному режиму восстановления вследствие повышения восстановимости снижается степень прямого восстановления, увеличивается степень использования газа, в результате чего расход кокса уменьшается на 50-70 кг/т чугуна. В этом случае кокс наиболее полно используется и как теплоноситель, и как восстановитель.

5. ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТАННЫХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

Влияние восстановимости железорудного сырья на показатели доменной плавки. Институтом металлургии УрО РАН проведен ряд работ совместно с металлургическим заводом им. А. К. Серова, Караган-

динским металлургическим комбинатом и Уралмеханобром по исследо ванию влияния восстановимости железорудного сырья на показател

доменной плавки. ----------

В 1983-1984 гг. на металлургическом заводе им.А. К. Серов выполнен комплекс работ по производству и доменной плавке агломе рата с повышенной восстановимостыо, которая оценивалась по массо вой доле монооксида железа. Содержание РеО составляло 10-12 % сравнении с предшествующим периодом 14-16 %, полученное за сче снижения расхода топлива в среднем с 4, 33 % до 3.98 % без измене ния высоты слоя шихты. Снижение расхода кокса составило 7 кг/ чугуна. Документы, подтверждающие экономический эффект от внедре ния работы с долей Института металлургии в сумме 108012 рублей з два года, представлены в диссертации.

Решена задача целенаправленного формирования структуры металлургических свойств железорудного сырья, позволяющих снизит расход кокса в доменной плавке, на примере агломерата из лиса ковского гравитационно-магнитного концентрата (ЛГМК).

Лабораторные исследования показали, что при снижении массо вой доли монооксида железа в агломерате с 16 % до 13% восстанови мость его возросла на 2055, существенно сократился температурны интервал размягчения. Характеристики агломератов приведены табл. 1. Расчеты температурных полей шихты и газа и зон когези для доменных печей № 3 и 4 Карагандинского металлургического ком бината (рис. 2) и показателей доменной плавки позволили прогнози ровать снижение расхода кокса и повышение производительности Опытные плавки и последующий перевод в 1986 году доменны печей на плавку нового агломерата подтвердили этот прогноз: рас ход кокса снизился на 8-11 кг/т чугуна, повышение производитель ности подтверждается снижением перепада давления на обеих печах.

Основные показатели, характеризующие процессы теплообмена 1 восстановления, имели следующие значения, %:

Периоды

Базовый Опытный

Коэффициент полезного действия тепла 90, 66 91,17

Коэффициент использования углерода 51,99 52, 79

Степень использования СО 34,2 35,1

Степень использования Н2 30,0 32,0

Степень прямого восстановления 45. 82 44,31.

Таблица 1

Характеристики железорудного сырья

Химический состав (X) и качество железорудного сырья Тип концентрата и окускованного сырья

ЛГМК 40% ЛОМК 100% ЛОМК Серовский КачГОК ПО "Апатит"

Агломерат Агломерат Окатыши Агломерат Агломерат Окатыши Окатыши Агломерат

Агломерат

ВП ОП бедный богатый 0 ВО 0 НО

Fe 46,55 46,65 48,81 55,1 54,8 48,36 55,98 57,19 54,52 59,18 61,20 50,13 46,23

Feo 15,96 13,23 17,45 15,0 1,7 16,00 16,00 13,18 11,32 3,00 3,77 2,00 16,00

Fe203 48,77 51,94 50,34 62,05 76,40 51,30 62,19 67,06 65,31 81,21 83,24 69,40 48,27

Cao 13,51 13,71 10,76 6,69 6,43 9,02 4,69 6,31 10,35 4,56 1,30 5,68 5,23

MgO 2,3 2,0 2,26 1,7 1,0 1,23 0,71 2,47 2,30 2,18 2,06 0,71 0,64

sIo2 11,72 11,78 9,33 5,60 5,77 9,00 4,61 5,01 4,88 3,67 3,97 3,16 2,95

AI2O3 5,15 5,17 5,22 5,32 5,4 8,84 7,04 2,71 2,99 2,24 3,57 1,83 1,84

TÍO2 0,47 0,45 2,59 2,80 2,44 2,60 13,66 12,60

V2O5 0,07 0,07 0,55 0,52 0,56 0,55 0,37 0,34

СГ2О3 3,10 3,52 0,11 0,16 0,14 0,14 0,05 0,04

Mno 0,70 0,71 0,62 0,5 0,52 0,14 0,12 0,22 0,25 0,22 0,22 1,52 1,40

N10 0,24 0,21 0,06 0,06 0,06 0,06

CUO 0,01 0,01

P2O5 1.2 1,23 1,43 1,72 1,24 0,15 0,13 0,05 0,06 0,05 0.05 0,35 0,33

R2O 0,09 0,06 1,44 1,33

S 0,070 0,069 0,059 0,043 0,043 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,03 0,05 0,03

Ca0/S102 1,15 1,15 1,16 1,19 1,11 1,00 1,02 1,3 2,2 1,24 0,33 1,80 1,77

Восстанови-

мость: X 41,1 53,3 54,0 55,0 60,0

по ГОСТ 66,65/ 78,67/ 81,98 81,9 84,8 80,0 93,52 85,71

17212-84 82,32 84,73

Температуры, С

размягчения 1050 1090 1240 1230 1220 1152/1256 1275/1330 1270 1305 1225 1180 1185 1150

плавления 1240 1220 1350 1345 1340 1352/1400 1440/1442 1400 1420 1395 1395 1350 1350

интервал 190 130 110 115 120 200/144 165/112 130 115 170 205 165 200

Числитель - для агломерата с низкой восстановимостью, знаменатель - с высокой.

П,п

Л б

Рис. 2. Температурные поля и положение зоны когезии в базовом (а) и опытном (б) периодах

Анализ этих характеристик показывает, что повышение восстановимое™ агломерата привело к снижению степени прямого восстановления, что отразилось на повышении степени использования химической энергии газа и увеличило коэффициент использования углерода. В результате снижения расхода кокса уменьшились выход колошникового газа и потери тепла с ним, что повысило степень использования тепла.

Годовой экономический эффект от внедрения низкозакисного агломерата составил 927600 рублей, долевой эффект Института метал-

лургии - 139125 рублей. Документы, подтверадаюцие внедрение, представлены в диссертации.

Результаты данной работы позволили сделать вывод о возможности применения машинного моделирования для оценки влияния качества железорудного сырья на показатели доменной плавки, характер температурных полей и зоны когезии.

Повышение эффективности переработки комплексного сырья путем использования высокопотенциального тепла. Рассмотрен вопрос об использовании высокопотенциального тепла (ВПТ) в доменной плавке при переработке комплексных железных руд - титаномагнетитовых, бурохромистых и др., а также боксита. При этом решаются две задачи: экономия кокса с одновременным устранением дефицита тепла, возникающего при переработке комплексных руд, и повышение качества шлака. Последнее характеризуется содержанием в нем основного компонента - в случае плавки титаноыагнетитов - это ТЮц, в случае плавки бурохромистых и бокситовых руд - А120з.

В табл.2 приведены содержание Ре и Т10г в некоторых железо-титанистых концентратах и расчетное содержание "ЛОг в шлаках при плавке оку скованных концентратов в обычной доменной печи, оборудованной плазмотронами (при равном количестве ВПТ для каждого вида сырья -1.17 ГДж/т чугуна). Применение плазмы позволит значительно повысить содержание Т10^ в шлаке вследствие уменьшения шлакообразующих кокса.

Таблица 2

Химический состав железотитанистых концентратов и содержание Т10г в доменных шлаках, %

1— —■■ 1 1 -т------------------ '- '1 .... — (Химсостав концентрата| Содержание ТЮг в шлаке | 1 I 1

1 | Концентрат 1 1 1 Ре | Т10г 1 | Доменная Доменная печь |

1 1 1 | печь с плазмотрона-|

1 1 1 1 1 | 1 ми |

1 (КачГОК I 1 60,2 2.75 1 10,8 12,7 |

|Чинейский 57.2 11.7 42,6 49,2 |

|ПО "Апатит" 54,53 14,9 44,5 51,8 |

|Медведевский « 53,12 • ' 18,8 48,3 • 53,0 | •

Проанализирована также доменная плавка серовских бурохромис-тых руд и боксита. Шлак с высоким содержанием А1203 может служить сырьем для производства"высококачественного цемента или глинозема для алюминиевой промышленности, а шлак с высоким содержанием ТЮ2 - для производства искусственного рутила.

Разработан способ подачи высокопотенциального тепла в горн доменной печи путем преобразования.электроэнергии в джоулево тепло на электросопротивлении коксовой насадки и расплава, который позволит использовать все преимущества доменного процесса, в том числе возможность подачи комбинированного дутья высоких параметров или восстановительных газов с частичной или полной компенсацией тепловых затрат в горне за счет подачи электроэнергии.

Рассчитаны и проанализированы температурные поля шихты и газа и поля скоростей газа при подаче высокопотенциального тепла с помощью плазмотронов или путем преобразования электроэнергии в джоулево тепло на сопротивлении коксовой насадки и расплава при использовании в качестве восстановителя природного или восстановительного (конвертированного) газа.

Показано, что оптимальной с точки зрения теплообмена при использовании высокопотенциального тепла является подача восстановительного газа, которая обеспечивает необходимые температурные условия во всем объеме печи.

6. АНАЛИЗ ЯВЛЕНИЙ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ НА ОСНОВЕ РАЗРАБОТАННЫХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ

Влияние некоторых параметров шихты и дутья на характер полей скоростей и температур. С помощью разработанного комплекса математических моделей исследованы факторы, имеющие существенное влияние на характер неравномерности полей температур и скоростей нижней и верхней зон печи. Изучено влияние положения центра фурменного очага, температуры фурменного очага, системы загрузки, порозности и газопроницаемости слоя шихты, на характер полей скоростей газа и температур шихты и газа.

На рис. 3 показано влияние положения фурменного очага, зависящего от расхода дутья, а также от конструкционных параметров -высова и диаметра фурм, на поля скоростей газа (см/с). Видно, что положение фурменного очага оказывает влияние на характер поля

Н,м

скоростей на всей высоте шахты, причем на 3/4 высоты - значительное. Аналогичное по характеру влияние положение фурменного очага

оказывает ка поля температур шихты и газа.

Показано, что влияние температуры фурменного очага на характер двумерных температурных полей шихты и газа проявляется в большей степени в нижней ступени теплообмена в вертикальном направлении.

Установлено,что характер температурных полей в верхней ступени теплообмена существенно зависит от системы загрузки. Изучено также влияние распределения порозности слоя шихты по радиусу на характер поля скоростей. Оно наиболее сильно проявляется в верхней зоне доменной печи.

Проанализировано влияние характера изменения давления по высоте доменной печи, зависящего от газопроницаемости шихты» на поля скоростей газа и температурные поля шихты и газа: при линейном распределении давления, нормальном ходе и плохом ходе печи, например, при увеличенной толщине зоны когезии. Установлена существенная деформация двумерных температурных полей во всем объеме печи.

Полученные в этом разделе результаты расчетов позволяют говорить о том, что установлено количественное влияние различных

Рис. 3 Поля скоростей газа при различных положениях фурменного очага: Ц =0,3 и и Ц-0,7 м

параметров на изменение характера температурного поля, что позволяет в случае необходимости скорректировать вычисления, вернувшись к началу расчетов (рис.1).

Положение зоны когезии при плавке различных видов железорудного сырья. С помощью разработанного комплекса двумерных математических моделей было исследовано влияние качества железорудного сырья на показатели доменной плавки и характер температурных полей. Исследовались агломерат и окатыши из лисаковского гравитационно-магнитного и обжигмагнитного концентратов, агломераты из се-ровских бурохромистых руд, неофлюсованные и офлюсованные окатыши и офлюсованный и высокоосновной агломерат из титансодержащего качканарского концентрата, высокотитанистое сырье. Химический состав, восстановимость, температуры размягчения и плавления приведены в табл. 1.

Проведено исследование влияния восстановимости на положение и форму зоны когезии для агломератов из серовских бурохромистых руд (рис.4): бедного с низкой (а) и высокой (б) восстановимостью и богатого с низкой (в) и высокой (г) восстановимостью. Видно, что восстановимость агломерата существенно влияет на положение и толщину зоны когезии.

При изучении возможности плавки в доменных печах окускован-ных железорудных материалов из лисаковского обжигмагнитного концентрата (ЛОМК) рассчитаны профили зон когезии при плавке агломерата, окатышей при содержании в них 40% ОМК, а также для планируемой плавки на 100 % ЛОМК (50 % обожженных окатышей и 50 % агломерата) . Сделан вывод, что в случае плавки агломерата и окатышей как при содержании в них 40 %, так и 100 % ЛОМК, зона когезии по своей толщине не является лимитирующим фактором.

В связи с началом производства на КачГОКе окатышей повышенной прочности - неофлюсованных, исследован вопрос о положении зоны когезии при опытных плавках на доменных печах НТМК разнооснов-ного сырья из концентрата КачГОКа. Рассчитаны показатели доменной плавки и зоны когезии. Показано, что при плавке неофлюсованных окатышей (НО) и высокоосновного агломерата (ВО) по сравнению с офлюсованными агломератом и окатышами (0) расход кокса ниже и выше производительность, несмотря на некоторое расширение зоны, связанное с несовпадением температурных интервалов размягчения компонентов доменной шихты. Это, по-видимому, обусловлено значи-

тельно меньшим количеством шлака в отличие от плавки агломератов КарМК.

Исследована зависимость местоположения и формы зоны когезии от типа проплавляемого в доменной печи окуско-ванного высокотитанистого сырья. Рассчитаны профили зон когезии при плавке агломерата КачГОК, окатышей из концентрата производственного объединения "Апатит", агломерата из концентрата П0"Апатит", агломе-' рата из смеси концентратов: 75 % П0"Апатит" и 25 % Кусинского. Наиболее узкая зона когезии

наблюдается при плавке окатышей из концентрата ПО"Апатит". Сделан вывод, что на положение и толщину зоны когезии оказывает влияние как тип сырья (месторождение), так и вид (агломерат или окатыши).

Установлено, что основными факторами неравномерности теплообмена по радиусу печи являются: в верхней зоне - распределение шихты по радиусу колошника, в нижней зоне - фурменный подвод дутья. Профиль зоны когезии определяется путем наложения на расчетные изотермы температур размягчения и плавления железорудных материалов, полученных в лабораторных условиях по стандартной методике, но с учетом реальной степени восстановления.

Факторы, влияющие на местоположение и форму зоны когезии и которые могут быть использованы для управления ею, можно разде-

соЬмвп гот*

соЬ«с1о11 хам

Рис. 4 Зоны когезии при плавке агломератов из серовских бурохромистых руд

лить на четыре основные группы:

1) распределение шихты по радиусу колошника;

2) местоположение фурменного очага;

3) температура фурменного очага;

4) восстановимость и температуры размягчения и плавления железорудной части шихты.

Форма зоны когезии определяется, главным образом, характером температурного поля, который зависит от факторов первой и второй групп. При этом профиль зоны когезии определяется относительным расположением траектории рудного гребня и максимума скорости газа, образуемым фурменным очагом. Факторы третьей и четвертой групп влияют на толщину и положение зоны когезии по высоте печи. В зависимости от уровня температур начала размягчения и плавления как нижняя, так и верхняя граница зоны когезии могут иметь различную конфигурацию.

Исследование температурных и скоростных полей при использовании новых технических решений. Перспектива развития доменного производства неразрывно связана с совершенствованием таких технических решений, как использование комбинированного дутья с высокими расходами природного газа и кислорода и вдувание угольной пыли.

Известно, что в опытных плавках при содержании кислорода в дутье 35 и 40 56 возникли трудности, связанные с похолоданием шахты. Представляло интерес проанализировать причины возникновения, а также пути ликвидации этих трудностей. Температурные поля шихты и газа при содержании кислорода в дутье 35 и 50 Ж приведены на рис.5. Видно, что при увеличении содержания кислорода в дутье холодает не только колошник, но и шахта на всем протяжении, вплоть до уровня фурм, во всех вертикальных сечениях. Причем в области рудного гребня возникает кризисное явление - отношение теплоем-костей потоков шихты и газа на колошнике приближается к единице и происходит вырождение верхней ступени теплообмена уже при содержании кислорода в дутье 45 %. Это вызывает необходимость выравнивания рудной нагрузки по радиусу при содержании кислорода в дутье более 40 %.

Представляло интерес выяснить путем машинного моделирования возможность устранения или, по крайней мере, отдаления критических явлений, возникающих при увеличении расходов природного газа

н,п

21

И,И £543218123456 6 5 £8пе*1вЪ в 1 2 3 4 5 6

а

Рис. 5. Температурные поля шихты и газа при содержании кислорода в дутье 35 X (а) и 50 % (б)

и кислорода, за счет изменения входных параметров, влияющих на характер температурного поля. Проанализированы увеличение температуры фурменного очага, увеличение диаметров горна и колошника, удаление центра фурменного очага, снижение высоты шахты. Выявлено, что изменение этих параметров не позволяет снизить радиальную неравномерность, т. е. ликвидировать кризисное явление.

Таким образом, машинный эксперимент показал, что увеличение содержания кислорода и расхода природного газа имеет предел. При этом критической областью является рудный гребень. Выравнивание рудной нагрузки по радиусу позволит, согласно расчетам, повысить содержание кислорода в дутье до 45-50 %.

Технология доменной плавки с использованием угольной пыли

находит все большее применение. Выполнены расчеты двумерных температурных полей и параметров, характеризующих радиальную неравномерность, для доменной плавки при вдувании угольной пыли. Расчеты показали, что при вдувании угольной пыли увеличились температуры во всем объеме шахты, толщина зоны когезии, перепад температур между шихтой и газом в шахте. Средняя температура колошникового газа выросла, что согласуется с практическими данными. Кроме того, комплекс двумерных математических моделей позволил выяснить, что температура колошникового газа в большей степени возрастает на периферии и в рудном гребне и в меньшей степени -на оси печи.

По мере увеличения расхода угольной пыли в связи с уменьшением доли кокса и увеличением газодинамического сопротивления столба шихты все большие требования должны предъявляться к качеству железорудного сырья и кокса.

Кроме высова фурм, исследовано влияние на процессы в объеме доменной печи другого элемента конструкции - ее профиля.

Рассчитаны двумерные температурные поля при различных профилях доменной печи: при профиле с переменным углом наклона шахты и профиле с постоянным углом наклона шахты. Использование переменного угла наклона шахты приводит к уменьшению скоростей газа, особенно на периферии. В результате чего изменяется характер теплообмена и температуры снижаются по всей высоте печи, главным образом на периферии (для газа до 50 град.), что сказывается и на пространственном положении и форме зоны когезии.

Проанализированы поля скоростей газа, температур газа и шихты, степеней восстановления железа и концентрационных потенциалов газа для двух профилей доменной печи с различными диаметрами распара.

Увеличение горизонтальных размеров печи в заплечиках, распаре и шахте приводит к смещению максимума скорости газа в направлении к оси печи и, следовательно, снижению скоростей газа в периферийной области. В результате понижаются температуры в этой области и уменьшается воздействие горячих газов на футеровку (рис.6), повышается степень использования газа в периферийных областях, снижая расход кокса в доменной плавке.

Кроме того, увеличение горизонтальных размеров доменной печи в области расположения зоны когезии приводит к росту площади

Рис. 6 Поля температур шихты и газа в доменной печи при различных ее профилях

поверхности последней, улучшает газодинамические условия и способствует повышению производительности печи.

Таким образом, использование комплекса двумерных математических моделей позволяет решать задачи, связанные с оптимизацией профиля доменной печи.

Анализ аномальных явлений доменной плавки. Проанализировано изменение характера температурных и скоростных полей при отклонениях от нормального хода доменного процесса - нарушении теплообмена, окружной неравномерности, тихом ходе, нарушении графика выпусков.

Выше показано, что увеличение расходов кислорода и природного газа ограничено существенным похолоданием во всем объеме доменной печи, особенно в рудном гребне. Устранение похолодания возможно за счет подачи в шахту нагретого газа. Расчетами установлено, что уровень скоростей газа в пахте над горизонтом его подачи повышается, при этом увеличивается и неравномерность распределения скорости газа по радиусу (больше газа подается в рудный гребень), что позволяет ликвидировать кризисное явление.

Известно, что подвод дутья к фурмам через кольцевой воздухопровод приводит к неравномерному распределению дутья и, следовательно, газа по окружности, на которое накладывается неравномерное распределение шихты загрузочными устройствами. Рассчитаны поля скоростей газа и температурные поля шихты и газа (рис.7) для вертикальных плоскостей, проходящих через оси воздушных фурм: со средним по окружности расходом дутья (б, г) и отличающимся от него на 10 % в большую (а) и меньшую стороны (в) при постоянном распределении рудной нагрузки по радиусу доменной печи.

Установлено, что в области рудного гребня отношение теплоем-костей потоков шихты и газа может приближаться к единице при снижении расхода дутья через фурму лишь на 10 % от среднего и эта область становится критической по теплообмену. Это вызывает необходимость контроля окружной неравномерности, что целесообразно делать с помощью двумерной математической модели и показаний термопар, установленных на периферии ниже уровня засыпи. Информация, полученная от этих термопар, может использоваться в качестве ре-перных точек при расчетах по математической модели как двумерных, так и трехмерных температурных полей путем последовательного поворота расчетной плоскости относительно оси печи на угол 360°/количество фурм.

Известно, что выравнивание неравномерности по окружности возможно за счет изменения распределения шихты. Кроме того, особенно при возникновении кризисного явления в одном из вертикальных сечений, возможно, на наш взгляд, следующее воздействие -закрытие воздушной фурмы на противоположной стороне.

Таким образом, использование двумерной математической модели и показаний периферийных термопар позволяет анализировать не только радиальную, но и окружную неравномерность, создаваемые Фурменным подводом дутья и загрузочным устройством доменной печи.

Исследовано неравномерное распределение пылеугольного топлива по фурмам. Показано, что в этом случае негативные последствия возникают как в шахте, так и в горне доменной печи - усиливается окружная неравномерность температурных и скоростных полей, нагрева и процессов формирования чугуна и шлака.

С помощью комплекса двумерных математических моделей установлено, что при увеличении расхода угольной пыли без достаточного снижения расхода природного газа целесообразно увеличить рас-

ход кислорода, что приведет к восстановлению на исходном уровне температуры фурменного очага, снижению температур газа во всем объеме шахты, особенно в нижней ее части и распаре, что должно благоприятно сказаться на стойкости футеровки.

Из-за временного недостатка в доменном цехе железорудного сырья или кокса возникает необходимость перевода доменных печей на тихий ход. С помощью двумерной математической модели исследовано изменение характера температурных и скоростных полей при переводе на тихий ход доменных печей объемом 218 м3 и 2700 м3.

Результаты расчетов показали, что при переводе доменной печи на тихий ход центр фурменного очага сдвигается к стенке печи, причем в относительно большей степени для доменной печи меньшего объема. Температуры шихты и газа на периферии возрастают, а в рудном гребне снижаются (рис.8). Следовательно, увеличивается воздействие горячих газов на кладку печи, а также усиливается кризисное явление в рудном гребне. Как показали расчеты, для устранения подобных негативных последствий перевода доменной печи на тихий ход необходимо закрыть часть фурм.

Известно, что тепловое состояние доменной печи подвержено колебаниям во времени, связанным с выпусками чугуна. Исследовано изменение во времени температурных полей в объеме печи. Расчетами установлено, что колебания температур газа в различных вертикальных сечениях происходят неравномерно - они больше в центре и на периферии и меньше в рудном гребне. Для рудного гребня после выпуска отношение теплоемкостей потоков может приближаться к единице, что приведет к кризисному явлению в данном вертикальном сечении. Амплитуда колебаний температурных полей во взаимосвязи со средним значением по радиусу колошника и степенью радиальной неравномерности отношения теплоемкостей потоков шихты и газа может служить одним из критериев при определении количества выпусков.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Разработан и доведен до практического использования метод аналитического исследования доменного процесса, предусматривающий двумерный контроль и прогноз газодинамических и температурных полей в любом вертикальном сечении печи при изменении параметров дутья и систем загрузки, состава шихты и качества железорудного

Н,п

11

О

Рис. 8 Температурные поля газа при нормальном ходе (сплошные линии) и тихом ходе (пунктирные линии)

сырья, элементов конструкции. В основу метода положен комплекс двумерных математических моделей доменного процесса, составляющие которого обладают элементами новизны, - модели газодинамики, теплообмена, восстановления, а также балансовая, позволяющая определить расход кокса, расход дутья, выход газа, температуру фурменного очага, используемые как входные параметры двумерных моделей.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы могут быть сформулированы следующим образом.

1. Предложена ^ рекомендована для использования в доменных цехах методика определения эффективности работы доменных печей и эффективности мероприятий, направленных на снижение расхода кокса, которая заключается в определении и сравнении разности между фактическим и минимальным расходами кокса.

2. Установлено, что на большинстве доменных печей существует значительный резерв по снижению расхода кокса за счет увеличения качества железорудного сырья.

3. Поставлена и решена задача целенаправленного формирования структуры и металлургических свойств агломерата повышенной восс-тановимости с более узким интервалом размягчения из лисаковского гравитационно-магнитного концентрата, использование которого позволило снизить расход кокса и улучшить газодинамические условия работы доменных печей.

4. Аналитически исследованы двумерные поля скоростей и температур при использовании высокопотенциального тепла в доменной плавке при переработке комплексных железных руд, позволяющего снизить расход кокса и повысить качество шлака. Установлено, что оптимальной с точки зрения теплообмена является подача восстановительного газа, которая обеспечивает необходимые температурные условия во всем объеме печи.

5. Решение уравнений тепло- и массообмена в условиях двумерного поля скоростей позволило расширить области аналитического исследования доменного процесса. Появилась возможность учета изменения физико-химических свойств шихтовых материалов и рудных нагрузок по сечениям печи, и, следовательно, определения положения и формы зоны когезии, а также , что особенно важно, контроля за изменением температуры газа у футеровки печи.

6. Показано, что изменение параметров дутья, высова фурм и их диаметра приводит к существенной деформации температурного поля в нижней части печи, а систем загрузки - в верхней. При этом в обоих случаях наблюдается изменение характера температурного поля во всем объеме печи.

7. Выявлено, что местоположение и форма зоны когезии определяются, главным образом, характером температурного поля и температурами размягчения и плавления железорудных материалов, завися-

щими от степени восстановления.

8. Установлено, что при использовании разработанных моделей открываются перспективы выявления влияния новых технических решений как в области подготовки сырья, так и в технологии доменной плавки, на ее показатели и особенности в изменениях процессов в объеме печи путем машинного эксперимента.

9. Показано, что повышение расходов кислорода и природного газа ограничено существенным похолоданием во всем объеме доменной печи, особенно в рудном гребне. Рекомендовано путем выравнивания рудной нагрузки по радиусу колошника устранять критические явления в рудном гребне, что позволит повысить содержание кислорода в дутье до 45-50 %.

10. Использование пылеугольного топлива в качестве заменителя кокса кроме проблем вдувания и сжигания вызывает затруднения, связанные с изменением структуры и повышением газодинамического сопротивления слоя шихты, увеличение перепада между температурами шихты и газа в шахте и возрастание температуры колошника, причем в разной степени для периферии, рудного гребня и центра. Повышение расхода угольной пьши налагает высокие требования к качеству железорудного сырья и кокса и равномерному распределению пылеугольного топлива по фурмам доменной печи. Для компенсации изменений температур фурменного очага и температурных полей в шахте доменной печи, повышения стойкости футеровки в нижней части шахты и распаре рекомендовано увеличивать содержание кислорода в дутье.

И. Изменение профиля доменной печи может рассматриваться как инструмент воздействия на температуру газа у футеровки печи, а также как фактор, влияющий на пространственное положение зоны когезии, определяющей газодинамику нижней части печи.

12. Рекомендовано использовать комплекс математических моделей для анализа изменений характера происходящих в доменной печи явлений газодинамики, теплообмена и восстановления при оптимизации ее профиля во взаимосвязи с технико-экономическими показателями.

13. С помощью двумерной математической модели выявлены закономерности процессов теплообмена при отклонениях от нормального хода доменного процесса - нарушении теплообмена, окружной неравномерности, тихом ходе, нарушении графика выпусков. Интенсификация доменной плавки приводит к увеличению напряженности теплооб-

мена, особенно в рудном гребне. Усиление окружной неравномерности вызывает увеличение неравномерности температурных полей в различных вертикальных плоскостях, способствует созданию кризисного явления в рудном гребне. При переводе доменной печи на тихий ход увеличивается воздействие горячих газов на кладку печи, усиливается кризисное явление в рудном гребне. При нарушении графика выпусков увеличивается амплитуда колебаний во времени температурных полей, приводящая к кризисному явлению в рудном гребне.

14. Закономерности теплообмена, выявленные с учетом неравномерности распределения потоков шихты и газа по радиусу доменной печи, целесообразно использовать для выдачи рекомендаций по сглаживанию негативных последствий отклонений от нормального хода. Так, машинный эксперимент позволяет определить количественное изменение характера температурного поля при ликвидации кризисного явления в рудном гребне путем вдувания в шахту доменной печи газа-теплоносителя; контролировать с использованием показаний периферийных термопар трехмерные температурные поля, получаемые путем последовательного поворота расчетной плоскости относительно оси печи на угол 360°/количество фурм; определять величину воздействия при тихом ходе с учетом объема и профиля доменной печи; использовать степень радиальной неравномерности потоков шихты и газа при определении количества выпусков.

15. Разработанный метод аналитического исследования доменного процесса на основе комплекса двумерных математических моделей рекомендуется использовать:

- в научно-исследовательских институтах при разработке технологий переработки железных руд новых месторождений;

- на металлургических предприятиях для анализа работы доменных печей, в частности при отклонениях от нормального режима, для выработки рекомендаций по повышению эффективности их работы, при разработке систем контроля и управления доменной плавкой;

- в высших учебных заведениях при обучении студентов специальностей 11.01.00" Металлургия черных металлов" и 11.03.00 "Теплофизика, автоматизация и экология промышленных печей".

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах.

1. Методика расчета температурного поля доменной печи с учетом неравномерности движения потоков шихты и газа / Дмитриев А. Н., Щербатский В. Б., Суханов Е.Л., Китаев Б. И., Швыдкий В.С. // Известия вузов.Черная металлургия, 1979, № 8. С. 28-32.

(Опубликовано также в журнале "Сталь в СССР" в 1980 г. )

2. Равновесные состояния и расход кокса в доменной печи / Федулов Б.В., Захаров И. Н., Яковлев D.В., Лежнев Г.П., Дмитриев А.Н. // Сталь. 1981, № 1. С. 13-18.

3. Совершенствование технологии доменной плавки на Магнитогорском металлургическом комбинате за период 1966-1980 гг./ Федулов Ю.В., Яковлев D.B.. Лежнев Т.П.. Захаров И.Н.. Дмитриев

A.Н. //М., 1982 (Экспресс-информация /ин-т "Черметинформация". 33 е.).

4. Снижение расхода кокса в доменных печах в результате более полного использования химической энергии газа / Шатлов

B.А., Фофанов A.A., Дмитриев А.Н., Волков В.В., Кондаков М.Н.. Лейсов Е.И. // М., 1983 (Экспресс-информация /ин-т "Черметинформация", 27 е.).

5. Волков В. В., Дмитриев А. Н., Захаров И. Н. Снижение расхода кокса в доменных печах //Повышение эффективности работы доменных печей. М., Металлургия, 1983 (МЧМ СССР). С.54-57.

6. Перспективная технология производства чугуна в системе атомно-металлургического комплекса /Дмитриев А.Н., Перепечаев В.П., Артекьев И.Ю.. Кудинов Б.З. //Актуальные проблемы атомной науки и техники (Тезисы докладов 2 областной конференции) . Свердловск, 1985. С.35-36.

7. Влияние содержания закиси железа и серы в агломерате на технико-экономические показатели работы доменных печей / Кашин

B. В., Вакуленко В. X., Соловьев Л.Б., Кобелев В. А., Дмитриев А.Н. //Черная металлургия, 1986, » 6. С.44-46.

8. Исследование местоположения и формы зоны когезии в доменной печи методом математического моделирования / Дмитриев А.Н., Беляков В.Н., Головкин В.К., Ченцов A.B., Шаврин C.B. //Тезисы докладов НТК "Пути улучшения газомеханики металлургических шихт". г. Караганда, 20-22 октября 1987г. Караганда, 1987.

C. 28-30).

9. Дмитриев А. Н., Ченцов А. В.. Шаврин С. В. Влияние радиальной неравномерности на теплообмен и образование зоны когезии в

доменной печи //Тезисы докладов ВНТК "Физико-химия процессов восстановления металлов". г.Днепропетровск, 25-27 мая 1988 г., Днепропетровск, 1988. С. 79 .

10. Доменная плавка агломерата из лисаковского концентрата с пониженной массовой долей монооксида железа / Мирко В. А., Дмитриев А.Н., Беляков В.Н., Головкин В.К., Малыгин A.B., Шаврин C.B. //Сталь, 1989, № 9. С. 9-13.

11. Дмитриев А.Н., Шаврин С.В. Машинный и промышленный эксперимент по исследованию влияния восстановимости железорудного сырья на показатели доменной плавки //Сборник трудов 8 Международной конференции доменщиков "ВИТКОВИЦЕ 1989", 17-19.10. 1989, Т.1. С.143-159 (рус., чеш.).

12. Алексеев Л.Ф., Дмитриев А.Н., Шаврин C.B. Доменная плавка титаномагнетитов с применением высокопотенциального тепла //Тезисы докладов Шестого всесоюзного совещания по химии, технологии и применению ванадиевых соединений. г.Н.Тагил, 16-18 мая 1990 г. .Свердловск, Изд.УрО АН СССР, 1990. С.15.

13. Алексеев Л.Ф.,Дмитриев А.Н. Определение зоны пластичности при плавке титаномагнетитов методом математического моделирования //Там же. С. 16.

14. Структура, металлургические свойства и доменная плавка агломератов с пониженной массовой долей монооксида железа / Дмитриев А.Н., Горбачев В.А.,Малыгин A.B., Шаврин C.B. //Новые и усовершенствованные технологии для окускования и производства чугуна и ферросплавов. Тезисы докладов (полностью доклад на микрофишах) национальной научно-технической конференции с международным участием. Г.Варна. НРБ, 12-14 июня 1990 г. Варна, 1990. С.38-39.

15. Дмитриев А.Н., Перепечаев В. П. Улучшение качества железорудного сырья и повышение эффективности доменной плавки //Информационный листок о научно-техническом достижении (в 91-8. Серия Р 53.31. Свердловск, ЦНТИ, 1991. 3 С.

16. Информационное обеспечение вычислительного комплекса доменной печи / Абрамов С.Д., Дмитриев А.Н., Ченцов A.B., Чесноков Ю. А., Шаврин С.В. //Информационный листок о научно-техническом достижении fS 91-35. Серия Р 50.01.77. Свердловск, ЦНТИ. 1991. 4 с.

17. Дмитриев А.Н., Алексеев Л.Ф. Повышение эффективности переработки комплексного сырья путем использования высокопотенциального титла //Переработка комплексного железорудного сырья.

г.Екатеринбург, Изд.УралНИИЧМ, 1992. С.8-11.

18. Дмитриев А.Н., Шаврин C.B. Разработка комплекса двумерных математических моделей доменного процесса //Математическое моделирование доменного процесса. Научные доклады Института металлургии УрО РАН, Екатеринбург, Иад.УрО РАН, 1994. С.3-5.

19. Дмитриев А.Н. Балансовая (равновесная) математическая модель // Там же. С. 6-21.

20. Дмитриев А.Н. Математическая модель газодинамики //Там же. С. 21-26.

21. Дмитриев А.Н. Математическая модель теплообмена //Там же. С. 26-29.

22. Исследование влияния различных факторов на характер зоны когезии при плавке комплексного железорудного сырья /Дмитриев А.Н., Алексеев Л.Ф., Кудинов Д.З., Перепечаев В.П., Шаврин C.B. // Физико-химические основы переработки комплексных руд. Информационные материалы Института металлургии УрО РАН, Екатеринбург, Изд. УрО РАН, 1994. С. 65-74.

23. Исследование характера температурных полей при плавке титаномагнетитов с вдуванием угольной пыли / Дмитриев А.Н., Шаврин C.B., Филиппов В.В., Шибаев Г.С. //Тезисы докладов VII Всероссийского совещания по химии, технологии и применению ванадиевых соединений, г.Чусовой, 16-20 сентября 1996 г.. Пермь .1996. С. 4.

24. Анализ эффективности различных мероприятий при выплавке ванадиевого чугуна / Волков Д. Н., Филиппов В. В., Чернавин А. Ю., Шибаев Г. С., Дмитриев А. Н., Кудинов Д. 3., Чесноков Ю. А. //Там же. С. 5.

25. Влияние разноосновного сырья из концентрата КачГОК на положение зоны когезии / Дмитриев А. Н., Кудинов Д.3., Волков Д.Н., Филиппов В.В., Чернавин A.D. //Там же. С. 10.

26. Исследование влияния профиля доменной печи на поля температур и скоростей газа при плавке титаномагнетитов / Дмитриев А.Н., Волков Д.Н., Кушиков В.В., Чернавин A.D. //Там же. С.34.

27. Дмитриев А.Н., Шаврин C.B. Двумерная математическая модель доменного процесса //Сталь, 1996. № 12. С. 7 - 13.

28. Дмитриев А.Н., Шаврин C.B. Характер температурных и скоростных полей при вдувании газа-теплоносителя в шахту доменной печи //Известия вузов.Черная металлургия. 1996, 11. С.87-88.

29. Дмитриев А.Н., Шаврин С. В. Влияние окружной неравномерности на характер температурных полей в доменной печи //Известия вузов. Черная металлургия, 1997, № 1. С. 73.

30. A.c. СССР № 1154332. Кл. С 21 В 5/00. Способ доменной плавки. - Опубл. в БИ, 1985,Ш 17.

Условные обозначения

Е - энергия активации; F(x, kj) - эллиптический интеграл первого рода с аргументом г и модулем kt; h - текущая высота; Н - длина линии тока; Н„ - высота печи (расстояние от уровня засыпи до уровня фурм); KgV . суммарный коэффициент массообмена; fy, Кг -полные эллиптические интегралы первого рода с модулями kt и k2; К

- расход кокса; ДК - эффективность мероприятия, направленного на снижение расхода кокса; Ц - расстояние от стенки печи до центра фурменного очага; m - отношение таплоемкостей потоков шихты и газа; т* - отношение массоемкостей потоков шихты и газа; Р - давление; г - текущий радиус; R - газовая постоянная; Rn - радиус печи; S - сечение трубки тока; sn(F, kt) - эллиптический синус; t,Т

- температуры по Цельсию и Кельвину, соответственно; V - объемный расход; dgV - суммарный коэффициент теплоотдачи; б, Sj,5g - вспомогательные комплексы; ф - функция тока (определяет линии равных расходов); фрв - степень восстановления железа; ф - потенциал поля скоростей (определяет линии равных напоров); со - комплексный потенциал. Индексы: г - газ; к - колошник; ф - фурма; ш - шихта;

' - параметры на входе потока в слой; " - параметры на выходе потока из слоя.