автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка новой технологии получения металлургической извести в шахтных печах

с? -

ч.__

«"V . /

^ - ^ 'Ъ&Г

На правах рукописи

ШВЫДКГШ Дмщрий Владимирович

РАЗРАБОТКА НОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ

МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОЙ ИЗВЕСТИ В ШАХТНЫХ ПЕЧАХ

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных металлов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург - 1997

Работа выполнена на кафедре «Металлургические печи» Уральского государственного технического университета -УПИ.

Научный руководитель: заслуженный деятель науки и техники РФ, действительный член АИН РФ, доктор технических наук, профессор Ярошснко Ю.Г.

Официальные оплоненты: заслуженный деятель науки и техники РФ,

лауреат Государственной премии, заслуженный изобретатель РФ, доктор технических наук, профессор Шаврин C.B.;

старший научный сотрудник, кандидат технических наук Жуков Ю.С.

Ведущее предприятие -Уральский институт металлов.

Защита состоится 1997 года на заседании диссертационно-

го совета Уральского государственного технического университета - УПИ Д 063.14.01 по адресу: 620002, г.Екатеринбург, К-2, ул. Мира, 19, 3-й учебн. корпус, ауд. Мт -509.

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

Отзывы на автореферат, заверенные гербовой печатью, просим направлять по адресу: 620002, г.Екатеринбург, К-2, ул. Мира, 19 ,Уральский государственный технический университет -УПИ, на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан «_»__1997 года.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 063.14.01

профессор, доктор технических наук

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Современные тенденции государственной политики в области топливно-энергетического комплекса страны делают насущной необходимостью интенсификацию производства на основе научно-обоснованных предложений по соперпгенствованию технологий металлургических процессов и конструкций агрегатов для их реализации.

Черная металлургия - одна из базовых отраслей промышленности - во многом определяет темпы научно - технического прогресса страны. Рост производства черных металлов, обеспечивающий потребности машиностроения, строительства, транспорта и др., невозможен без снижения удельного расхода энергетических ресурсов, повышения производительности агрегатов, качества готовой продукции, долговечности и надежности оборудования. Очень важным в современных условиях является соответствие технологии конкретного процесса и агрегата для ее осуществления требованиям экологической безопасноеги дашюго производства.

Шахтные печи являются одним из наиболее массовых технологических агрегатов для тепловой обработки кусковых материалов, от эффективности работы которых существенно ивисят гехнико - экономические показатели других сопутствующих (или последующих) производств. В настоящее время шахгные печи являются основными производителями извести, выпуск которой в нашей стране до недавнего времени превышал 30 млн. т в год, причем 40 % этого количества приходилось на предприятия черной металлургии, ]де свыше 80 % извести производилось в шахтпых печах.

Цель работы. Разработка и внедрение рациональной технологии обжига известняка и конструкции шахтной печи для ее реализации, обеспечивающих производство извести высокого качества с соответствующими мировому уровню затратами энергоресурсов и уменьшение загрязнения окружающей среды за счет сокращения количества вредных выбросов.

Для достижения указанной цели необходимо решение следующих задач.

1.Путем экспериментальных исследований и теоретического анализа выявить кинетическое уравнение процесса термического разложения карбонатных материа-

лов. Определить кинетические параметры этого уравнения для известняков различных месторождений.

2.Разработать математическую модель процесса обжига известняка в шахтной печи, работающей на газовом топливе. Для адаптации модели к реальном)' агрегату выявить способ непрерывного (в темпе с процессом) определения температуры газа в пристенной области шахтной печи, характеризующийся высоким быстродействием, точностью и надежностью.

3.Путем проведения вычислительного эксперимента установить основные связи между параметрами процесса обжига в шахтной печи и разработать новую технологию обжига, позволяющую получать продукт с заданными свойствами и отличающуюся высокими технике - экономическими показателями и экологичностью.

4.Разработать конструкцию шахтной печи для реализации новой технологии обжига карбонатного сырья. Выработать рекомендации по модернизации существующих шахтных печей и совершенствованию их тепловых и газодинамических режимов работы.

Научная новизна. Найдены кинетические характеристики известняков различных месторождений и установлены области применимости последних. Получены новые уравнения кинетики термического разложения карбонатных материалов, позволяющие определить степень завершения реакции в поле переменных температур и справедливые во всем диапазоне изменения степени диссоциации от 0 до 1. Разработаны одномерная и трехмерная математические модели процесса обжига карбонатов и методика их адаптации к реальному объекту, отличающаяся высокой надежностью, быстродействием и малой чувствительностью к ошибкам в задании исходных данных. Выявлены конструктивные и режимные параметры процесса, обеспечивающие равномерность газораспределения по высоте и сечению агрегата и получение высококачественной извести.

Практическая значимость исследования связана с разработкой новой технологии обжига печи для ее реализации карбонатных материалов и конструктивной схемы шахтной, которые используются Николаевским глиноземным заводом и

АО «Златоустовский металлургический завод» при строительстве новых шахтных печей для обжига известняка. Практическую ценность имеют также рекомен-

дации по обеспечению равномерности распределения потока газов и температур в объеме агрегата и методика определения температуры газов в пристенной области печи, которая может служить основой системы автоматического управления процессом.

Достоверность результатов работы обеспечивается комплексным использованием расчетных и экспериментальных методов исследования, а также математического моделирования процессов тепломассообмена и газодинамики и подтверждается сходимостью расчетных и экспериментально полученных значений параметров.

Апробация работы . Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на: Первой Российской национальной конференции по теплообмену (секция 3 "Теплообмен при химических превращениях " (Москва, 1994)); Российской межвузовской научно - технической конференции « Фундаментальные проблемы металлургию) (Екатеринбург, 1995) ; научно - технической конференции, посвященной 75-летию образования металлургического факультета Уральского государственного технического университета «Современные аспекты металлургии получения и обработки металлических материалов» (Екатеринбург, 1995).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на

134 страницах машинописного текста, состоит из введения, четырех глав, заключения и приложений, содержит 46 рисунков, 18 таблиц и список используемых источников из 142 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко показывается актуальность работы и определяются основные ее положения, которые выносятся на защиту.

В первой главе проводится анализ современного состояния вопросов производства извести. Показано, что технический уровень производства извести в России не отвечает современным требованиям. Независимо от конструкции агрегата для обжига известняка качество готового продукта относительно невысоко. Ни одна из рассмотренных в обзоре установок не позволяет с гарантией получить требуемый сорт извести, состав и свойства которой характеризовались бы высокой однород-

ностью. Все они плохо приспособлены к автоматизации процесса и не могут считаться высокоэффективными с точки зрения технико-экономических показателей.

В настоящее время наиболее отработанньши в конструктивном и режимном планах являются шахтные печи. В теплотехническом отношении они наиболее экономичны : удельный расход теплоты в большинстве случаев не превышает 4000 кДж/кг СаО. Промышленные шахтные печи несколько уступают по качеству готового продукта вращающимся печам, однако резервы повышения качества у шахтных печей далеко еще не использованы. Вместе с тем существующие конструкции шахтных печей для обжига известняка обладают массой неустранимых недостатков, обусловленных тем обстоятельством, что их разработка выполнялась в отрыве от анализа возможностей последующей оптимизации теплового и газодинамического режимов работы. Существенное повышение эффективности работы печей невозможно без привлечения современных методов анализа закономерностей протекающих в них процессов, в частности ,методов математическою моделирования и системного анализа.

До последнего времени вопросы математического моделирования шахтных печей для обжига известняка в отечественной и зарубежной литературе в комплексном виде не рассматривались. Имеющиеся немногочисленные публикации посвящены отдельным абнектам производства извести, базируются на общих ( в лучшем случае двухзонных ) тепловых балансах и лишь частично ( большей частью с ошибками ) используют решение одномерной стационарной задачи теплообмена в слое, полученное Б.И.Китаевым в его пионерских работах. При этом полностью игнорируется тесная связь кинетики процесса термического разложения карбонатных материалов с развитием теплообмена и движением газов. В то же время, математическое (и численное) моделирование шахтных металлургических печей как в России, так и за рубежом развито достаточно полно. Мировое признание в этом плане получили разработки кафедры "Металлургические печи" Уральского государственного технического университета - УПИ, которые целесообразно взять за основу.

Анализ литературы показывает, что до настоящего времени в вопросах математического описания термического разложения карбонатных материалов среди ис-

следователей нет единства. Стремление получить простыми методами без использования вычислительной техники кинетическое уравнение декарбонизации привело к принятию множества допущений и предположений относительно физико - химической сущности процесса. Часто эти допущения носят умозрительный характер и в силу обшей сложности процессов структурного превращения твердых тел не могут быть ira подтверждены, ни опровергнуты экспериментом. По этой причине в литературе приводится несколько десятков кинетических моделей и кинетических уравнений процессов термического разложения, причем в них полностью игнорируются закономерности изменения температур, характерные для реальных технологических агрегатов. Что же касается кинетических параметров реакции термического разложения известняка, то здесь в литературе можно найти лишь отдельные не стыкующиеся между собой цифры, полученные в лабораторных условиях. С полной уверенностью можно говорить лишь об энергии активации реакции разложения кальцита в вакууме.

Эти и другие результаты анализа послужили обоснованием актуальности темы и определили задачи исследования, которые были сформулированы ранее.

Во второй главе описаны общие свойства карбонатного сырья и требования, предъявляемые к нему различными металлургическими переделами. Показано, что обжигаемое в шахтных печах сырье характеризуется широким спектром физических параметров и переменным химическим составом, и это налагает особые требования к надежности кинетических характеристик процесса обжига, используемых при расчете различных тепловых режимов работы печи.

Современная теория кинетики термического разложения твердых веществ и, в частности, карбонатных материалов направлена, главным образом, на математическое описание различных физико - химических аспектов зарождения и формирования структуры новой фазы в объеме старой в идеализированных условиях. Однако ее основные положения позволяют определить главные требования к конструкции экспериментальной установки и к методике проведения опытов по изучению кинетических характеристик известняков различных месторождений. Сущность этих требований состоит в следующей. Необходимо обеспечить достаточно точное поддержание температурного режима в реакционном режиме установки. Нужно также

фиксировать температуры центра и поверхности образца с целью проверки режима изотермичности или (при неизотермических измерениях) для привязки теплофизи-ческих свойств известняка и кинетических характеристик к среднемассовой температуре. Поскольку все модельные уравнения используют величину эквивалентного диаметра образца, а вырезать достаточно точную сферу из куска известняка ¡фактически невозможно, то при опытах применяли образцы в форме кубов различного размера. Этот выбор мотивируется тем обстоятельством, что при симметричных граничных условиях температурные поля шара и куба весьма близки (исключение составляет приповерхностный объем ). Так как процесс обжига связан с удалением С02 из известняка, то о степени развития реакции декарбонизации можно судить

Дго(г)

по изменению массы образца, причем |=—- , где Дга(г) - текущая

(в момент х ) убыль массы, а Дтшх - максимальное изменение массы образца. Чтобы исключить влияние обратной реакции, т.е. обеспечить достаточно быстрое и полное удаление С02) следует организовать соответствующий поток газа через реактор.

В общем случае возможны два способа экспериментального определения закономерностей процесса декарбонизации. В первом из них, условно называемом изотермическим, опыт проводится при постоянной температуре реакционного пространства установки, во втором -неизотермическим - эта температура изменяется во времени по некоторому наперед заданному закону ( например, линейному).

Приведены результаты детального анализа закономерностей термического разложения известняков в условиях изотермических измерений. Показано, что из всего множества известных по литературным источникам модельных кинетических уравнений для практического использования пригодны уравнения Ерофеева, Ау-стина - Риккета, «сжимающегося ядра» и выявленное нами экспоненциальное уравнение. Однако эти уравнения могут был» использованы для описания процессов термического разложения известняков лишь в тех случаях, когда эти процессы протекают в изотермическом реакторе. При этом как область применения отдельных уравнений по степени завершения реакции Д£, так и кинетические параметры уравнений (кажущаяся энергия активации Е и предэкспоненциальный множитель

уравнения Аррениуса Л .) для извес тняков различных месторождений существенно различаются.

Для использования в .математических моделях процесса обжига карбонатных материалов в шахтных печах ( и вообще в любых агрегатах с переменной по ходу материала температурой ) не пригодно ни одно из модельных кинетических уравнений. известных по литературным данным. Анализ результатов иеизотермнческих измерений показывает, что кинетические параметры вышеуказанных уравнений существенно зависят от характера изменения во времени температуры куска материала, т.е. их невозможно устаноншь до тех пор, пока ire станет известной динамика нагрева куска. Но именно для этих целей и разрабатывается математическая модель.

В связи с отмеченным насущной необходимостью является построение такого уравнения диссоциации известняка, которое бы, учитывая лишь основные закономерности процесса, позволяло рассчитывать степень завершения реакции £ в темпе с определением других параметров тепловою состояния агрегата. В силу сложности и многопараметричности реакций термического разложения такие общие уравнения могут быть юлько приближенными, принципиально важно лишь одно' чтобы они верно учитывали тепловую ( энергетическую ) сторону процесса.

В работе получено два новых уравнения декарбонизации. При выводе первого из них ( феноменологического ) исходили из условий, что в любой момент времени распределение температур по радиусу куска должно удовлетворять двум требованиям: во-первых, температурное поле должно быть непрерывным и , во-вторых, плотность теплового потока должна иметь разрыв на фронте реакции г,, причем величина этого разрыва равна (или пропорциональна ) расходу теплоты на реакцию разложения. Используя затем закономерности нестационарной теплопроводности, пришли к следующему уравнению декарбонизации :

d£__ 24кЯ"с.о(1 ~ ь)' ' _ta - t,__¿^(t,i

dz' ^С„6\ЛНИ 4i-0-<i),3]ii + a-£)2'3i " ¿"с.о(1-<,=)"' '

Экспериментальная проверка показала высокую точность этого выражения для кусков известняка, диаметр которых не превышает 75 - 80 мм.

Для описания процесса термического разложения карбонатов, размер куска которых > 80 мм, в работе предложено полуаналитическое уравнение декарбонизации, которое представляет собой решение по Галеркину во втором приближении следующей задачи теплопроводности:

(2)

т = 0, ( = (3)

г = 0, <?и<?г = 0, (4)

г = г0, 1 = 1„(г). (5)

Полученные в работе уравнения диссоциации имеют то преимущество, что они справедливы для известняков любых месторождений и содержат единственный параметр, требующий экспериментального определения, - условную энергию активации процесса.

Третья глава диссертации посвящена вопросам математического моделирования процесса обжига карбонатных материалов в шахтных печах. В сжатой форме приводятся основные уравнения движения газов, материалов и тепломассоперено-са трехмерной математической модели процесса и выполняется их преобразование к форме, удобной для численного решения. Анализ вычислительных свойств уравнений свидетельствует о том, что они относятся к классу задач с быстролеремен-иыми решениями ( классу жестких систем ), и характеризуется крайней сложностью и нелинейностью. Поэтому весьма ответственным моментом построения дискретного аналога математической модели процесса обжига карбонатных материалов в шахтньк печах является правильный учет физико - химических особенностей технологии и, в частности, тенденций развития тех или иных явлений. В этом плане наиболее приемлемой численной схемой является схема "против потока", скорректированная на закономерности поведения жестких систем.

Любая аппроксимация дифференциальных уравнений, в частности производных, конечно - разностными схемами связана с принятием различного рода предположений. В связи с этим важным этапом математического моделирования является адаптация модели к реальному объекту. При этом процедура адаптации должна быть доступна исследователю в любой момент времени по мере необходимости коррекции коэффициентов модели. Наиболее подходящим параметром адап-

ю

тадии в этом плане является температура газов в некоторой конкретной точке слоя шихтовых материалов, так как именно технологический газ является переносчиком тепловой и химической энергии. ~ - ------- — -

В диссертации предложен метод определения температуры газов в пристенной области любой печи, сущность которого заключается в следующем. Уровень температуры газов в указанной области определяет величину потерь теплоты из печи в окружающее пространство. Об уровне этих потерь можно судить по распределению температур по толщине стенки печи. Отсюда вытекает, что если исследователь будет располагать информацией о таком распределении, то он будет в состоянии восстановить значения температуры газов в пристенной области.

Пусть для фиксации уровня потерь теплоты в окружающее печь пространство на некотором горизонте слоя по толщине кладки установлено I термопар, показания которых tj (i=l,2,........,1) непрерывно фиксируются. Требуется по этим показаниям восстановить ( или воспроизвести ) значения температур газов в пристенной области.

Решение указанной задачи сое гонг из двух частей. Сначала решается прямая задача определения температурного ноля условно однородной стенки при заданной температуре газа вблизи внутренней поверхности стенки:

С ,р,- V - S.. . N • S . S0=0. i = 1,2,...,N, (6)

Ст г\ с" х

т = 0, t = tcfx), (7)

Х = 0, t = t4, (8) или Л, -= (9)

О X

x = S, = 1Т(г)-1]. (10)

О X

Используя условия приведения реальной стенки к условной однородной

= р,кв - S, p.(S,/S), (П)

Сэкв ~ C,(t, cp)p,SIt. .p/Z, p,S,t, tp (1 2J

и решая систему ( 6) - ( 10 ) методом Галеркина в первом приближении, приходим [ для варианта ( 8 ) ] к решению

t(X,Fo) = {biX - [1 - (1 /2)С! AFo]С2(ЬгХ - X2)}T(Fo) + (1 - b,X)t„ +

+ C2(b2X - X2) exp(- C,Fo){[l + (l/2)CiAFo]T(0) + Z;}, (13)

I] = С1 ДРоЕ| ^1Т(]ЛРо)ехр(С ^ ДРо), (14)

которое определяет распределение температур в кладке печи. Вторая (обратная) часть задачи связана с расчетньш подбором такого значения температуры газов в пристенной области шахтной печи ( и вообще любой печи ), при котором выполнялось бы условие

а = 1)1[1(ХьРо))-11Л2 = тш. (15)

Используя условия минимизации функции (до/дТ = 0 и да/слн = 0), из соответствующей системы уравнений находим Т ( Бо ).

Экспериментальная проверка вышеописанной методики показала ее надежность, точность, быстродействие и малую чувствительность к погрешностям в задании теплофизических величин и параметров процесса. Она позволяет не только осуществлять привязку ( адаптацию ) математической модели к реальному объекту, но и может быть основой метода управления тепловой работой обжиговой печи в целом.

Далее в главе 3 описываются результаты вычислительного эксперимента, подкрепленные исследованиями на физических моделях агрегатов, имеющие целью установление конструктивных и режимных параметров печи, обеспечивающих наилучшую равномерность газораспределения в объеме слоя, а также условия получения мягкообожженной высокоактивной извести.

Показано, что из рассмотренных вариантов устройств ввода газов в зону обжига наилучшую равномерность газораспределения (и других переменных процесса обеспечивает конструкция, представляющая собой взаимоперпендикулярные диа метрально расположенные балочные горелки, размешенные на одном горизонте Для повышения равномерности распрделения газов и развития процессов тепло массообмена целесообразно эту систему дополнить периферийными горелками расположенными равномерно по дугам секторов печи, и центральным соплом по дачи воздуха в зону охлаждения. Подробно исследовано влияние размера куско) шихты и расхода продуктов сгорания на результирующую степень термическоп разложения известняка в шахтных печах различного профиля и конструкций уст ройств ввода продуктов сгорания топлива. Показано, что наилучшие результат!

обеспечивает вышеупомянутый вариант устройств ввода продуктов сгорания в форме крестообразной балочной горелки.

Для повышения теплотехнической эффективности работы печи следует ограничить верхний размер обжигаемых в ней кусков известняка. Учитывая также увеличение сопротивления слоя при уменьшении с!к и возрастании степени его полидисперсности, можно рекомендовать в качестве наиболее рационального гранулометрического состава исходного сырья диапазон <1К =40 + 80 мм.

Получение мягкообожженной извести с повышенным содержанием СаО возможно только при соответствующем распределении процесса горения топлива (или продуктов неполного сгорания) по высоте зоны обжига шахтной печи.

Эти ( и другие) результаты позволили перейти к разработке новой технологии обжига карбонатных материалов, которая и обсуждается в следующей главе.

В четвертой главе диссертации рассматриваются вопросы практической реализации предложений и рекомендаций, вытекающих из результатов проведения вычислительного эксперимента.

Сущность предлагаемой в данной работе новой технологии обжига известняка состоит в способах сжигания топлива и ведения теплового режима процесса. Топливо ( природный газ ) подается в зону обжига печи на двух горизонтах (ярусах). Сжигание основной массы ( 60 %) природного газа осуществляется в две стадии: первоначально в выносных топках шахтной печи с коэффициентом расхода воздуха а = 0,55 - 0,65, а затем в слое материалов в зоне обжига с суммарным

а = 1,1 -1,15. Для регулирования температуры продуктов сгорания в топке подают азот, природный газ или пар в количестве до 10 % от общего расхода сжигаемого топлива. Полученные продукты неполного сгорания с температурой 1100 -1200 °С по жаровьш каналам поступают в нижнюю часть зоны обжига, где происходит их дожигание в слое материала. В верхний ярус зоны обжига подается природный газ до 40% от общего количества, который распределяется по сечению печи при помощи 12 периферийных горелок и двух центральных кернов.

Данная система отопления потребовала разработки специальной конструкции балочных горелок, а также выносных циклонных топок. Особое внимание в работе уделено и установлению рациональных конструктивных параметров периферий-

■ ных горелок и газоотводягцего тракта. Сущность проблемы в данном случае состоит в следующем. Во - первых, равномерность газораспределения в шахтной печи при фурменном вводе газов существенно зависит от геометрических параметров периферийных горелок (регулирование газораспределения "снизу" ). Во - вторых, этот фактор газодинамики определяется способом отвода газов из печи. В типовых конструкциях шахтных печей отходящие газы удаляются через боковые газоотводы, что приводит к развитию периферийного потока газов. В работе предлагается для улучшения равномерности газораспределения использовать центральный газоотвод, характерный для шахтных печей металлизации. Путем проведения вычислительного эксперимента выявлено значение глубины погружения центрального газоотвода в слой (регулирование газораспределения " сверху").

Управление тепловым режимом печи базируется на описанном выше методе восстановления температуры в пристенной области слоя. В кладку печи на горизонтах, расположенных на 250 мм выше уровня ввода продуктов неполного сгорания и на 4000 мм выше этого уровня по концам двух перпендикулярных диаметров, сдвинутых по отношению к кернам печи на 45 монтируется по 3 термопары, рабочие спаи которых отстоят от внутренней поверхности кладки зоны обжига на расстоянии 50, 200, и 350 мм соответственно. В процессе работы печи непрерывно определяются значения температур газа в пристенной области на этих горизонтах. Путем сравнения этих температур с полученными путем математического моделирования процесса определяется уровень отклонения фактического положения зоны обжига от оптимального. В случае необходимости это положение и уровень температур в зоне обжига корректируется изменением соотношения «газ - воздух» на циклонных горелках, расхода газа, а также его перераспределением по уровням ввода в печь.

Реализация вышеописанной технологии на практике требует соответствующего аппаратурного оформления. В диссертации приводится минимально необходимая схема КИП и автоматики, обеспечивающая протекание технологического процесса в требуемом направлении. Методика адаптации математической модели к реальному объекту, а также способ управления тепловым режимом обжига овеще-

ственнен в виде контроллера, спроектированного и разработанного на основе' наших исследований Урал ПШРОМЕЗом.

Далее в главе рассматриваются особенности технологий "обжига при работе печи на резервном топливе, проводится анализ экологических характеристик печи и процесса и показывается, что предлагаемая конструкция по вредным выбросам в расчете на 1 т производимой извести находится на уровне лучшего мирового образца - печи «Чи.мстатик-150».

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена исследованиям газодинамической и тепловой работы шахтных печей для обжига известняка, разработке новой технологам обжига и конструкции шахтной пета для ее реализации методами математического и физического моделирования.

Основные научные и практические результаты работы \toiyT быть сформулированы в следующем представлении.

1. Технический уровень производства извести в России не отвечает современным требованиям и уступает уровню развитых зарубежных стран, таких как США, Германия. Япония, Австрия и др. В условиях общих изменений в топливно-энергетической политике государства чрезвычайно важной задачей являются разработка современных эффективных технологий обжига известняка, создание новых и совершенствование существующих конструкций шахтных печей для ее реализации. Успешное решение этой задачи невозможно без использования методов математического моделирования и системного анализа.

2. Одной из причин, сдержтааюших применение методов математического моделирования для оптимизации процесса обжига известняка и конструкции шахтной печи, является отсутствие надежного, совместимого с математической моделью газодинамики и теплообмена кинетического уравнения процесса термического разложения карбонатного сьгрья. В связи с этим в работе на специально сконструированной установке были выполнены обширные исследования закономерностей диссоциации известняков различных месторождений, в которых использовались как

методика изотермических измерений, так и проведение опытов при переменной температуре реакционной ячейки.

3. Анализ полученных экспериментальных данных показал, что ни одно из предложенных в литературе кинетических уравнений термического разложения не. пригодно для использования в математических моделях процесса обжига в агрегатах с переменной температурой теплоносителей. Поэтому в работе на основе приближенных решений задач теплопроводности было получено два уравнения декарбонизации, одно кз которых дает хорошее совпадение с экспериментом при 4к< 80 мм, а другое при 4 > 80 мм. Эти уравнения справедливы для известняков любого месторождения и требуют для адаптации сырью экспериментального определения лишь одного параметра.

4. Разработанные в диссертации одномерная и трехмерная математические модели процесса обжига карбонатных материалов в шахтных печах характеризуются сильной нелинейностью и сложностью. Для целей адаптации численной реализации этой модели к действующему агрегату в работе предложен метод определения (восстановления) температуры газов в пристенной области печи по показаниям термодатчиков, установленных в кладке печи на трех различных расстояниях от ее внутренней поверхности. Метод основан на решении обратной задачи теплопроводности в многослойной плоской стенке и состоит в расчетном подборе такого значения температуры газа вблизи внутренней поверхности кладки, при котором распределение температур в слоях стенки, соответствующее решению прямой задачи теплопроводности, совпадает в местах установки термодатчиков с показаниями последних. Экспериментальная проверка метода показала его высокую точность и быстродействие, малую чувствительность к ошибкам в задании параметров процесса обжига, что позволяет его рекомендовать не только для целей адаптации модели к объекту, но н дня оперативного управления тепловым режимом работы печи.

5. Адекватная реальному процессу математическая модель позволяет решать задачу оптимизации теплового режима агрегата одновременно с выбором его конструктивных элементов, обеспечивающих этот режим. В работе приводятся результаты вычислительного эксперимента для широкого набора различных вариан-

тон конструкций устройств ввода газов в печь, гранулометрического состава сырья, теплотехнических параметров обжига. Полученные данные позволили разработать новую технологию обжига карбонатных материалов и конструкции шахтной печи для ее реализации; они имеют также самостоятельное значение для совершенствования конструктивных н режимных параметров существующих шахтных печей.

6. Новизна предложенной в работе технологии обжига состоит в способе сжигания топлива н управлении тепловым режимом печи. Топливо (природный газ или мазут) сжигается в две стадии; первоначально 50-60% от общего количества сжигается в специально сконструированных циклонных топках с коэффициентом расхода воздуха а=0,5-0,55, из которых продукта неполного сгорания через балочные горелки подаются в нижнее сечение зоны обжига; остальной природный газ подается через периферийные горелки в верхнее сечение зоны обжига, где (совместно с продуктами неполного сгорания) сжигается в слое в потоке вторичного воздуха, поступающего из зоны охлаждения шахтной печи с температурой 750 - 770 °С, с суммарным а=1,10-1,15. Расход топлива, а также соотношение «топливо-воздух» определяются степенью соответствия температур газа в пристенной области зоны обжига, восстановленных по показаниям термодатчиков, установленных в кладке печи, температурам, рассчитанным путем математического моделирования. Шахтные печи, реализующие новую технологию, строятся на Николаевсхом глиноземном заводе и в АО "Златоустовский металлургический завод».

Основное содержание диссертации изложено в следующих публикациях:

1. Гордон Я.М., Мадисон В.В., Федяева Л.А., Швыдкий Д.В. Закономерности тепломассообмена и газодинамики при термохимической обработке карбонатных материалов и разработка на их основе новой технологии получения высококачественной извести в агрегатах шахтного типа // Труды 1-й Российской национальной конференции по теплообмену. Т. 3. Тепломассообмен при химических превращениях М.: МЭИ, 1994. С. 94 - 97,

2. Гордон Я.М., Соловьев А.К., Швыдкий Д.В. Исследование тепловой н газодинамической работы газовой вагранки // Изв.вузов. Черная металлургия. 1995 . Ни 12.С. 48 - 50.

3. Ярошенко Ю.Г., Швыдкий Д.В. Моделирование процессов термического разложения карбонатного сырья в шахтных печах / / Труды НТК, посвященной 75-летию образования металлургического факультета УГТУ "Современные аспекты металлургии получения и обработки металлических материалов". Екатеринбург, 1995.С.95.

4.Разработка новой технологии получения высококачественной металлургической шихты в шахтных печах / Гордон Я.М., Мадисон В.В., Швыдкий Д.В., Ярошенко Ю.Г. // Тезисы докладов Российской межвузовской НТК "Фундаментальные проблемы металлургии". Екатеринбург, 1995.С. 36 - 37.

5. Швыдкий B.C., Ярошенко Ю.Г., Швыдкий Д.В. Моделирование процесса обжига известняка в шахтных печах // Изв. вузов. Черная металлургия. 1996. №6. С.68-70.

6 Совершенствование технологии обжига карбонатных материалов в шахтных печах / Гордон Я.М., Мадисон В.В., Швыдкий Д.В., Ярошенко Ю.Г. // Сталь. 19%. № б.С.84 - 86.

7.0пределение температуры в рабочем пространстве шахтной печи. Швыдкий B.C., Ярошенко Ю.Г., Швыдкий Д.В. и др. // Изв. вузов. Черная металлургия. 1996. №10. С. 57-60.

Обозначения

bj - постоянные, зависящие от чисел Bi„ = cx,S/Am, (i = 1,2); ¿к - диаметр куска, ДНИ - тепловой эффект декарбонизации, Со - содержание СаСОз в известняке, С -теплоемкость, h (t) - единичная ступенчатая функция (функция Хэвисайда ), к -константа скорости реакции, qv - мощность внутреннего источника теплоты, S и St -общая толщина кладки печи и толщина i - го слоя, Т - температура газа, t - темпе-

ратура материала, - средняя температура i - го слоя кладки, Х=х / S, х • горизонтальная координата, Fo = at/S2; а = Х/(ср); а- коэффициент теплоотдачи,

5( г) - дельта - функция Дирака, к - коэффициент теплопроводности , q- степень декарбонизации ( диссоциации), р- кажущаяся плотность, t - время, м - материал, в - внутренний, н - наружный, 0 - начальное значение, п - поверхность, ц -центр, i - фронт реакции.

Подписано в печать 05.11.97

Бумага типографская Плоская печать Уч.-изд,л. 1,06 Тираж 100 Заказ 215

Издательство УГТУ 620002, Екатеринбург, Мира, 19

УМЦ-УГТУ-УПИ. 620002, Екатеринбург, Мира, 17

Формат 60x84 1/16 Усл.п.л. 1,16 Бесплатно