автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка теоретических основ поведения шихтовых материалов доменной плавки для информационного обеспечения математической модели загрузки доменной печи

804610532

На правах рукописи

Михин Роман Александрович

РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ ПОВЕДЕНИЯ ШИХТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ ДЛЯ ИНФОРМАЦИОННОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ЗАГРУЗКИ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных, цветных и редких металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 4 ОКТ 20Ю

Москва, 2010 г.

004610532

Диссертационная работа выполнена на кафедре Экстракции и рециклинга черных металлов Национального исследовательского технологического университета «МИСиС»

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор Юсфин Ю.С. Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Спирин H.A.

Кандидат технических наук Шатлов В.А.

Ведущее предприятие:

ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат»

Защита диссертации состоится «28» октября 2010 года в 10 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.132.02 при Национальном исследовательском технологическом университете «МИСиС» по адресу:

119049, Москва, Ленинский пр., д. б, корп. 1, МИСиС, в ауд. А-305.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского технологического университета «МИСиС».

Автореферат разослан сентября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор

А.Е. Семин

I. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы:

Создание и применение бесконусных загрузочных устройств (БЗУ), оснащенных автоматизированными средствами контроля и управления и обладающих широкими возможностями управления распределением шихты, высокой долговечностью и ремонтопригодностью, явилось новым этапом в развитии оборудования и технологии доменной плавки. Высокая эффективность применения бесконусных загрузочных устройств может быть достигнута при квалифицированном технологическом сопровождении. Однако производственная проблема заключается в том, что без визуализации работы загрузочного устройства и распределения шихтовых материалов технологический персонал не в состоянии использовать все управляющие возможности БЗУ.

Данная проблема может быть решена с использованием математической модели загрузки Пауль Вюрт-МИСиС, которая позволяет визуализировать работу загрузочного устройства и распределения шихтовых материалов.

Математическая модель загрузки позволяет в режиме «ОФФ-ЛАЙН» разрабатывать различные методы и системы загрузки и прогнозировать результаты их применения. Одним из недостатков данной модели является задание неизменного значения порозности шихты, в то время как в реальности оно существенно колеблется.

Для получения реальной информации о распределении шихтовых материалов в работающей доменной печи разработана и применяется автоматическая зондовая сканирующая система (АЗСС) ТМТ-МИСиС.

Автоматическая зондовая сканирующая система - это эффективное средство для диагностики распределения шихтовых материалов в доменной печи, не имеющее в настоящее время альтернативы.

Необходимым условием для получения достоверных данных о распределении сыпучих материалов в доменной печи является знание их свойств с целью метрологической сертификации АЗСС, а также анализ факторов, влияющих на размывание порога перколяции смесей кокса и агломерата.

Для адекватной расшифровки сигналов датчика вида шихтовых материалов (ДВШМ) необходимо проведение промышленных опытов по его градуировке.

Комплекс, включающий в себя БЗУ Пауль Вюрт, математическую модель загрузки Пауль Вюрт-МИСиС и автоматическую зондовую сканирующую систему ТМТ-МИСиС, позволяет разрабатывать, реализовывать и корректировать различные эффективные методы и системы загрузки, дающие непревзойденную гибкость в управлении процессом доменной плавки.

Цели работы;

- Создание системы сбора информации, необходимой для расчета истинных значений порозности в функции от фракционного состава шихтовых материалов, а также создания алгоритма учета порозности загружаемой смеси в модели загрузки;

- Развитие теоретических основ процессов, опираясь на которые, функционирует автоматическая зондовая сканирующая система и принципы работы самой системы;

- Градуировка ДВШМ (в условиях ОАО «НЛМК»),

Научная новизна:

1. Получена новая информация о свойствах и поведении шихтовых материалов (кластерообразование, воспроизведение теоретического порога перколяции, образование вложенных порогов перколяции в смеси материалов различных фракций (>2), зависимость порозности смеси от ее гранулометрического состава), позволяющая техническому персоналу металлургических комбинатов и заводов производить оценку порозности в работающей доменной печи.

2. Введено понятие «эквивалентного слоя» - слоя из смеси фракций разного диаметра, эквивалентного слою шихтовых материалов в промышленных условиях в доменной печи, позволяющее с помощью расчетов давать оценку газопроницаемости (порозности) столба шихтовых материалов в работающей доменной печи.

3. В работе доказана недостоверность результатов применения известных ранее аналитических уравнений для оценки связи гранулометрического состава многокомпонентной смеси (число фракций >2) с ее порозностью. Предложено использовать новую алгоритмическую схему для анализа порозности столба шихтовых материалов - разработанный программный комплекс МАРСС (Математические Алгоритмы Расчета Сыпучих Смесей), основанный на методе оптимального приближения реальной смеси к экспериментальным данным.

Практическая значимость:

1. Разработан программный комплекс МАРСС, который дает возможность с достаточной для практических нужд точностью производить оценку порозности в работающей доменной печи. Это позволяет использовать его для математического обеспечения модели загрузки и систем контроля распределения шихтовых материалов и с высокой достоверностью производить оценку формы и положения зоны плавления в работающей доменной печи.

2. Разработан датчик вида шихтовых материалов; произведена его градуировка в промышленных условиях для применения на ДП №5 ОАО «НЛМК» и предложена его классификация.

Реализация результатов работы:

- Зондовая сканирующая система принята для реализации на ДП №5 и новой ДП №7 ОАО «НЛМК». Аналогичная система успешно функционирует на ДП № 5А завода ЕКО Stahl GmbH (ArcelorMittal, Германия);

- Разработанный алгоритм учета порозности загружаемой смеси принят для использования в новой версии математической модели загрузки доменной печи, применяемой в настоящее время на множестве металлургических предприятий (ОАО «НЛМК», ОАО «ММК», ОАО «Косогорский металлургический завод», ЕКО Stahl Arcelor Gruppe (Германия)).

Публикации:

По материалам диссертации опубликовано 4 работы, из них 2 в изданиях по перечню ВАК РФ.

Структура и объем работы:

Диссертационная работа состоит из введения, 5-и глав, выводов, списка публикаций, списка литературы и 3-х приложений. Работа изложена на 176 страницах, содержит 93 рисунка и 22 таблицы.

II. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОРОЗНОСТИ СЫПУЧИХ МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ СМЕСЕЙ

Целью данного раздела является определение основной газодинамической характеристики сыпучей многокомпонентной смеси - порозности.

Важность порозности при оценке газодинамики доменной плавки в полной мере иллюстрирует уравнение Эгона (З.Е^ип).

Алгебраическая форма уравнения Эгона:

ДР = Нх

149,бх У?** xG+l,75x xG2

ip'xd'xs хр <j>xdx£хр

(1)

где ДР - потери давления в слое. Па; Н - высота слоя, м; е - порозность слоя, м3/м3; G - поток газа, м3/с; Р - плотность газа, кг/м3; ц -вязкость газа, кг/м-с; ф - коэффициент формы кусков слоя, количественно характеризующий степень приближения формы кусков к форме шара; d - эквивалентный диаметр кусков слоя, м; является в основном функцией поверхности кусков и в большей мере отражает влияние мелких фракций на газопроницаемость слоя, чем средний диаметр кусков.

Из уравнения (1) видно, что наибольшее влияние на потери давления в слое, и соответственно на газодинамику ДП оказывает порозность слоя е - ее значение входит в знаменатель формулы Эгона в 3-й степени.

Для определения порозности двухкомпонентных сыпучих смесей в настоящее время широко используются кривые Фернеса (Furnas С.С.). При известном содержании (в %) крупной и мелкой фракции в смеси, а также отношении их размеров, по данным кривым определяют ее порозность.

Однако использование широко представленных в литературе кривых Фернеса для оценки порозности двухкомпонентных сыпучих систем не совсем корректно.

В работе предлагается следующий универсальный способ оценки порозности двухкомпонентных сыпучих смесей.

При известных порозностях компонентов смеси и минимальной порозности самой смеси строится график (Рис. 1), по которому можно определить отношение крупной и мелкой фракции (Кк/Км). В этом графике и £г - порозности компонентов смеси, £min -минимальная порозность смеси, наблюдаемая в диапазоне содержания мелкой фракции в

смеси от 33^- % (для шаров) до 45%. Точно определить точку наименьшей порозности

можно только экспериментально для каждой конкретной смеси.

Это не всегда приемлемо, поэтому также можно основываться на экспериментах с шарами, описанных ниже (с учетом фактора формы F) или использовать табличные данные. В случае применения последних двух способов, предполагается, что точка минимальной порозности (по оси абсцисс) располагается в точке порога перколяции (слово перколяция (percolation — англ.) означает протекание, просачивание. В рамках настоящей работы под перколяцией понимается просачивание мелких частиц в слой крупных. Порог перколяции - общефизическая константа для двухкомпонентных

хаотических сыпучих систем, равная 59,266...% (по объему) содержания крупной фракции в смеси, при котором цепочка из крупных частиц соединяет сколь угодно отдаленные границы объема, занимаемого смесью). Эти способы вводят определенную погрешность в результаты.

55/45 66-/33-3 3

Рис. 1. - График для определения порозности двухкомпонентной смеси

Фактор формы также лучше рассчитывать для каждой конкретной смеси, т.к. экспериментально установлено, что чем меньше фракция смеси, тем ближе коэффициент ее формы к 1 (кроме шаров, у которых он в любом случае равен 1). Но также можно использовать и табличные данные.

Коэффициент формы предлагается рассчитывать следующим образом:

МММ (2)

где х - количество частиц (задается произвольно, может быть любым числом); гах -масса х-го количества частиц, г; е - порозность слоя из х-го количества частиц; р -удельная масса х-го количества частиц, г/смЗ; М - средний размер х-го количества частиц.

Следует отметить, что исследования порозности сыпучих смесей проводились многими авторами (Н.Стэндишем (N.Standish) (Австралия), Ковшовым В.Н., Тарасовым В.П. и проч.). Однако до настоящего момента не было предложено ни одного универсального способа адекватной оценки порозности сыпучих многокомпонентных смесей доменной плавки (только отдельные данные, характеризующие частные случаи).

По всем проделанным ранее исследованиям можно сделать следующие основные выводы:

- При смешивании крупных и мелких частиц в разных пропорциях порозность получившейся смеси изменяется нелинейно;

- Порозности смесей из фракций одного размера всегда больше порозности смесей из фракций разного размера (другими словами добавление в смесь (с порозностью со), состоящей из частиц одного размера, частиц другого размера, всегда будет уменьшать порозность Ео);

- Минимальное значение порозности смесей из шаров наблюдается при содержании

1 2

в смеси мелкой фракции 33-% (и, соответственно, 66— % крупной); для несферических

частиц минимальная порозность находится при содержании мелкой фракции смеси в интервале от 33 до 45%.

- Максимальная теоретическая порозность слоя шаров одного диаметра составляет 0,476, на практике это значение обычно составляет 0,37-0,44; порозность слоя доменной шихты, не содержащей мелочи составляет 0,50-0,55.

Вопрос определения порозности в работающей доменной печи очень важен для определения наиболее оптимального способа загрузки материалов в печь, для улучшения процесса газопроницаемости и оптимизации работы печи в целом, т.к. именно порозность оказывает наибольшее влияние на потери давления в слое, и, соответственно, на газодинамику доменной печи. С распределением порозности по радиусу доменной печи также очень тесно связаны форма и положение зоны плавления. В современной технологии достаточно надёжно определены оптимальные положение и форма зоны плавления, когда при максимальной производительности получают низкий расход кокса. Проблема в том, что зону плавления невозможно измерить, ей форма и положение определяются только путём моделирования. Надёжность же моделирования формы и положения зоны плавления тесно связана с точностью оценки распределения порозности по радиусу печи.

В качестве инструмента для моделирования и оценки положения и формы зоны плавления, распределения порозности и рудной нагрузки по радиусу доменной печи, а также визуализиции распределения шихтовых материалов в пространстве доменной печи используется математическая модель загрузки.

Математическая модель загрузки (Рис. 2) предназначена для разработки технологических режимов загрузки с повышенными технико-экономическими показателями на доменных печах, оснащённых БЗУ фирмы Пауль Вюрт. Технологические режимы разрабатываются персоналом доменных цехов на основе итерационного поиска наилучших систем загрузки доменной печи. При этом системная структура соответствует человеко-машинной системе управления с человеком-оператором в цепи обратной связи.

Математическая модель загрузки выполнена в виде программно-аппаратурного комплекса, защищенного от несанкционированного доступа, и может быть установлена на любой доменной печи, оснащённой БЗУ фирмы Пауль Вюрт, после процедуры адаптации к условиям данной печи.

Практическое применение математической модели уменьшает риск при подборе новых эффективных систем загрузки и сводит к минимуму или исключает вовсе ошибки технологического персонала при управлении доменным процессом благодаря эффекту «прозрачности» пространства доменной печи, а также позволяет производить утилизацию шихтовых материалов с пониженными металлургическими свойствами (мелкие фракции кокса и агломерата) и сократить, либо исключить вовсе, количество «пробных» неудачных систем загрузки, сопряженных с перерасходом кокса.

Рис. 2. -

Математическая модель загрузки доменной печи, оборудованной бесконусным загрузочным устройством (БЗУ) фирмы Пауль Вюрт

До настоящего времени в математическую модель загрузки доменной печи вводилось значение порозности на основе усредненных промышленных данных многолетней давности, но в реальности значение порозности шихты существенно колеблется и зависит от фракционного состава шихтовых материалов.

Предлагается для оценки порозности учитывать фракционный состав кокса и агломерата. Так как фракционный состав на заводах меняется ежесуточно, это позволит приблизить порозность кокса и порозность агломерата к реальным шихтам.

Были проведены лабораторные исследования, которые позволили определить значения порозности для многокомпонентных смесей шихтовых материалов.

В лабораторных опытах по измерению порозности применялись смеси шаров диаметром 8 мм, 6 мм, 4.5 мм, 2.75 мм, 2 мм, представляющих собой сыпучие смеси

близкие к реальным, состоящих из частиц фракций 80 - 60 мм, 60 - 40 мм, 40 - 20 мм, 20 -10 и менее 10 мм.

Шары являются хорошими имитаторами кусковых сыпучих материалов, так как отличие последних от шара можно учесть с помощью коэффициента формы. На основе лабораторных экспериментов с шарами оцениваются закономерности изменения порозности смеси от ее фракционного состава.

Проведение данных опытов в производственных условиях - крайне трудоемкое занятие.

В целом можно говорить об автомодельности шаров и реальной шихты в задаче оценки их порозности.

Суть опытов заключалась в том, что в мерную емкость насыпались шары различных диаметров в заданных соотношениях (данные соотношения составлялись на основе реального состава доменных шихт различных заводов в различные периоды, а также для проверки ранее определенных закономерностей) и перемешивались; в получившуюся смесь наливалась вода и по разнице вылитой и оставшейся воды вычислялась порозность смеси шаров.

Также были проведены опыты на воспроизводимость результатов по измерению порозности сыпучих смесей.

Результаты измерений приведены в таблице 1. В таблице показана зависимость порозности от соотношения крупной и мелкой фракции в смеси. В основном, высокая порозность наблюдается, когда в смеси присутствует наименьшее количество мелочи, что подтверждает перколяцию мелких материалов в слой крупных, также, как в реальной печи. Также в таблице видны острова стабильной порозности у различных смесей, которая характеризует работу доменной печи с технологической точки зрения.

Таблица 1. - Результаты измерений порозности многокомпонентных смесей из шаров

различного диаметра

№ опыта Состав смеси, % Порозность

8 мм 6 мм 4.5 мм 2.75 мм 2 мм

1 63 0 0 0 34 0,27

2 10 30 30 15 15 0,28

3 15 40 25 10 10 0,31

4 20 20 20 20 20 0,31

5 55 25 10 5 5 0,33

6 15 45 20 10 10 0,33

7 50 15 15 10 10 0,33

8 10 10 25 25 30 0,34

9 30 10 20 20 20 0,34

10 15 15 40 15 15 0,34

11 20 20 10 25 25 0,34

12 10 50 20 10 10 0,34

13 15 50 15 10 10 0,34

14 35 30 15 10 10 0,35

15 45 40 5 5 5 0,35

16 50 15 15 15 5 0,35

17 25 45 20 5 а 0,35

18 30 30 15 10 15 0,36

19 45 15 20 10 10 0,36

20 50 20 10 15 5 0,36

21 10 40 35 10 5 0,37

22 50 30 10 5 5 0,37

23 40 35 15 5 5 0,39

24 100 0 0 0 0 0,41

25 0 0 0 0 100 0,41

На Рис. 3 представлено графическое изображение опытов.

, «? й й ,

я в«.:

к «

Шары,

Порозность

Рис. 3. - Графическое изображение результатов опытов по измерению порозности многокомпонентных смесей из шаров различного диаметра

В результате проведения эксперимента было доказано, что:

- зависимость порозности от фракционного состава смеси носит разрывный характер;

- в отличие от существующих представлений, крупная фракция не всегда «разрыхляет» шихту и «увеличивает» порозность, но может и уменьшать ее;

- практически невозможно разработать аналитические зависимости в виде алгебраических формул, так как задача является существенно нелинейной;

- при добавлении даже небольшого количества одной из фракций к смеси, порозность может значительно меняться;

- каждому значению порозности соответствует бесконечное число комбинаций фракционного состава сложных сыпучих смесей;

- максимальная порозность всех экспериментальных смесей равна 0,41, а минимальная 0,27;

- максимальная порозность соответствует однокомпонентной смеси (слою шаров

2 1

одной фракции), а минимальная - смеси с соотношенем крупной и мелкой фракции — к -

соответственно.

Два последних вывода находятся в полном соответствии с результатами, полученными ранее другими исследователями.

Нелинейный разрывный характер данных зависимостей объясняется:

- кластерным характером структуры многофракционных смесей со скачкообразным характером перехода от формирования кластеров меньшего размера к формированию кластеров большего размера (и наоборот);

- скачкообразным характером формирования «вложенных» порогов перколяции крупными и мелкими фракциями.

Для определения порозности промышленной смеси шихтовых материалов была разработана алгоритмическая система (программа МАРСС - Математические Алгоритмы Расчета Сыпучих Смесей), позволяющая производить оценку порозности методом оптимального приближения на основе измерения в производственных условиях фракционного состава промышленной шихты. При известном фракционном составе реальной шихты и процентном соотношении фракций в смеси методом последовательного сравнения с экспериментальными данными находится максимально похожая лабораторная смесь (эквивалентный слой). Ее известная порозность корректируется с учетом типа реального материала и в результате определяется порозность реальной смеси.

МАРСС позволяет с достаточной для практических нужд точностью производить оценку газодинамики (порозности) столба шихтовых материалов доменной плавки.

В разрабатываемой новой (3-й) промышленной версии математической модели загрузки доменной печи одним из входных условий является ввод процентного отношения крупной и мелкой фракции загружаемых материалов. С применением комплекса МАРСС предлагается использовать следующий алгоритм определения объемного отношения крупной и мелкой фракции в реальном слое и его порозности (Рис. 4):

1) Ввод фракционного состава реальной шихты, загружаемой в доменную печь (количество фракций, размер фракций и их %-ое содержание);

2) Разделение введенного состава смеси на «крупную» и «мелкую» фракции (деление введенного массива происходит автоматически на две равные части (по размерам фракций). Например, если диапазон фракций от 0 мм до 80 мм, то «мелкая» фракция - от 0 мм до 40 мм, а «крупная» - от 40 мм до 80 мм). Определяется средний размер «мелкой» и «крупной» фракций, и их процентного соотношения.

3) Далее последовательно определяется порозность слоя «мелкой» и «крупной» фракции (по следующему алгоритму):

3.1) Поиск ближайшего фракционного состава эквивалентного слоя;

3.1.1) Если состав эквивалентного слоя найден, то по таблице экспериментальных данных находится значение эквивалентной общей порозности;

3.1.2) Если состав эквивалентного слоя не найден, то снова идет поиск;

3.2) Вводится коэффициент формы реального материала (по умолчанию стоит 1);

3.3) Коррекция значения общей порозности эквивалентного слоя с учетом коэффициента формы реального материала;

3.4) Ввод коэффициента эффективной порозности КЭфф (его также можно использовать по умолчанию - в программе введено значение этого коэффициента на основе данных с реальных доменных печей, равное 0,8). Эффективная порозность для доменного процесса - это пустоты, через которые может проходить газ. Фернес в своих исследования установил, что для применяемых им экспериментальных материалов, эффективная порозность составляет всего около 30% от общей. Но в доменной печи поднимающийся газ «разрыхляет» слой шихты, тем самым, увеличивая эффективную

порозность. Эмпирически был определен коэффициент КЭфф=[0,6-0,9], отражающий зависимость эффективной порозности шихты от общей;

3.5) Коррекция значения общей порозности реального слоя с помощью эмпирического коэффициента КЭфф. Получаем значение эффективной порозности реального слоя;

4) Далее по аналогичному алгоритму (п.п 3.1-3.5) определяется эффективная порозность слоя «крупной» фракции;

5) Данные по объемам (в %) «крупной» и «мелкой» фракции, по их средним значениям и по их порозностям вводятся в математическую модель загрузки.

Также на базе МАРСС разрабатываются новые принципы функционирования математического обеспечения АЗСС, позволяющие на качественно новом уровне производить оценку порозности слоев шихтовых материалов в работающей доменной печи и визуализировать положение и форму зоны плавления на основе интерпретации данных сканирующего зондирования.

Суммируя данные настоящих и проведенных ранее исследований можно сделать следующие основные рекомендации по загрузке материалов в доменную печь:

- для увеличения порозности слоя следует уменьшить отношение размеров крупной и мелкой фракции (дробление крупной фракции, добавление фракции промежуточного размера);

2 1

- избегать соотношения крупной и мелкой фракции, равного 66—% к 33-%

соответственно, когда наблюдается наименьшая порозность смеси;

- в реальных шахтовых условиях доменной печи происходит перколяция мелких фракций через слои крупных с образованием непредсказуемых плотных газодинамических упаковок. Данный процесс должен контролироваться технологическим персоналом с помощью математической модели загрузки;

- «стабилизировать» фракционный состав агломерата, весь агломерат «преобразовывать» в одну фракцию (14-20 мм на ОАО «ММК» по технологии Германии);

- применять на практике такие технологические приемы, как разделение кокса на две фракции: крупную и мелкую. При этом крупную и мелкую фракции шихты следует загружать в печь раздельно, в удаленные друг от друга различные радиальные кольцевые зоны. Например, крупный кокс - в центр печи, чтобы обеспечить развитый центральный поток, а мелкий кокс - к стенкам шахты.

Зачастую на практике даже незначительные изменения фракционного состава приводят к тяжелым расстройствам хода доменной печи.

Количество Фракций

Размер_J, %

10 5

20 5

40 20

60 30

30 30

► 100 |

* ___J

SiliiB

Коэффициент Формы Коэффициент Бзфф.

|аэ~

Порозность: Средний размер: Количество:

Ф. крупная fa4722222~

i 0,4305556

ш—

¡30

Рис. 4. - Алгоритм определения объемного отношения крупной и мелкой фракции в реальном слое и его порозности с применением комплекса МАРСС, и общий вид его программной реализации

III. ИЗУЧЕНИЕ СВОЙСТВ СЫПУЧИХ ШИХТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ

Необходимым условием для получения достоверных данных распределения сыпучих материалов в доменной печи является проведение исследования их свойств с целью метрологической сертификации автоматической зондовой сканирующей системы, а также анализ факторов, влияющих на размывание порога перколяции смесей кокса и агломерата.

В соответствии с базовыми понятиями теории перколяции смесь сыпучих компонентов представляет собой кластерную структуру (кластер (cluster (англ.)- гроздь) -цепочка связанных объектов, например, крупных частиц в смеси с мелкими или кусков кокса в смеси с агломератом). Формирование кластеров (их размеров, формы и т.д.) подчиняется математическим законам.

Для смеси сыпучих материалов с разным содержанием компонентов характерна определенная вероятностная кластерная структура, по которой можно определить состав смеси.

В рамках настоящей работы были проведены специальные лабораторные исследования по изучению свойств сыпучих шихтовых материалов. Были получены значения электрических сопротивлений для каждой из пяти смесей реальных шихтовых материалов (кокса и железорудных материалов (агломерата)) - содержащих 100% кокса,

80% кокса, 60% кокса, 40% кокса, 20% кокса, и значения электрических сопротивлений для каждой из пяти смесей шаров - содержащих 100% шаров из электропроводного материала (ШЭПМ), 80% 111ЭПМ, 60% ШЭПМ, 40% ШЭПМ, 20% ШЭПМ, имитирующих близкую к идеальной сыпучую смесь (с коэффициентом формы компонентов равным 1) с использованием установки с дополнительным уплотнением. Произведена математическая обработка полученных результатов. Оценены средние размеры кластеров кокса в смеси с агломератом для определения их влияния на размывание порога перколяции.

Измерительная установка, используемая при проведении опытов по измерению электрического сопротивления смесей металлических электропроводных шаров (ШЭПМ) диаметром 8 мм (имитирующих кокс) и неэлектропроводных шаров (ШНЭПМ) диаметром 4,5 мм (имитирующих железорудные материалы) показана на Рис. 5.

Рис. 5. - Измерительная установка, используемая при проведении экспериментов со смесями ШЭПМ и ШНЭПМ, позволяющая создавать дополнительное уплотнение

Исследования проводились в следующем порядке. В мерных колбах измерялось необходимое количество ШЭПМ и ШНЭПМ; смеси заданного соотношения ШЭПМ и ШНЭПМ перемешивались (сегрегация не допускалась); подготовленная смесь засыпалась в металлический цилиндр с датчиком вида шихтовых материалов (который был изготовлен как геометрически точная копия измерительной головки промышленной АЗСС); для создания дополнительного уплотнения закручивалась крышка; измерялось сопротивление смеси; крышка раскручивалась, смесь высыпалась, тщательно перемешивалась, и измерение повторялось. После проведения серии опытов из 25 измерений смесь из металлической колбы высыпалась и готовилась новая смесь.

Статистическая достоверность опытов обеспечивалась многократным повторением опыта для заданных смесей неэлектропроводных и электропроводных шаров. Были исследованы чистая смесь ШЭПМ, смеси с 80 %, 60 %, 40 %, 20 % ШЭПМ.

Результаты измерений показаны на Рис. 6. На графике видна обратно пропорциональная зависимость сопротивления смеси Я от содержания в ней ШЭПМ. Колебания вокруг средних значений являются значительными.

Для исследования этого явления мы условно приняли, что состав смеси неизвестен.

Видно, что существуют характерные диапазоны сопротивлений, которые независимо от состава смеси встречаются чаще, чем другие. На Рис. 6 отмечены области смесей (а) и (б). Область (а) - область разрушаемого кластера. Именно поэтому в этой области наблюдается разрыв в массиве данных. В правой верхней части рисунка схематично изображена теоретически возможная структура кластеров ШЭПМ в этой области. Несмотря на то, что доля ШЭПМ в смеси составляет 40%, они образуют замкнутую длинную цепь; в реальном слое эти регулярные структуры отсутствуют (данная структура была создана искусственно). В области (б) представлен большой кластер. Несмотря на то, что доля ШЭПМ в смеси составляет 40% (такие кластеры также наблюдаются в смеси с 20% ШЭПМ), встречаются такого рода кластеры, которые значительно уменьшают значение измеряемого сопротивления (порядка 0,1 Ом).

7

6 5

4

3

в: а

2 1 0 •1 -2

О 20 40 ВО 80 100

% шзгм

Рис. 6. - Результаты измерений электрического сопротивления смесей ШЭМП и ШНЭМП и области (а) и (б) распределения ШЭПМ и ШНЭПМ

Необходимо отметить, что датчик вида шихтовых материалов представляет собой индикатор, он не подчиняется какому-либо закону (в отличии, например, от термопары). У него два положения - «0» и «1», т.е. датчик либо замыкает цепь проводников - ШЭПМ, и через него протекает ток, либо не замыкает. Датчик показывает только электрическое сопротивление области, которая находится в непосредственном контакте с ним. Данная характеристика является дискретной. Датчик не дает картину того, как выглядит распределение материалов по всему слою материалов.

Излом на кривой на Рис. 6 в области 59 % кокса в смеси находятся в соответствии с теоретическим значением порога перколяции ~ 59,27%, когда компонент при данном

объёме в смеси образует непрерывную решётку (бесконечный кластер), достигающий сколь угодно отдаленных границ сыпучей системы.

Другими словами, до порога перколяции ШЭПМ данный метод измерения позволяет статистически достоверно оценить объемную долю ШЭПМ в смеси. После порога перколяции ШЭПМ образует в слое непрерывную токопроводящую решетку.

Гистограмма на Рис. 7 указывает на образование кластеров двух наиболее вероятных размеров (видны два максимума плотности вероятности): большого (бесконечного) кластера (^(-1,5; -0,5]) и маленького кластера (^(6; 6,5]), которые можно встретить в смеси с вероятностью, зависящей от доли ШЭПМ в смеси.

Рис. 7. - Гистограмма логарифмов электрического сопротивления (1 - смесь с 20% ШЭПМ;

2 - 40% ШЭПМ; 3 - 60% ШЭПМ; 4 - 80% ШЭПМ)

Факторы, влияющие на размывание порога перколяции смесей ШЭПМ и ШНЭПМ, были сведены к минимуму, так как, во-первых, смеси ШЭПМ и ШНЭПМ представляют собой близкие к идеальным сыпучие смеси, а во-вторых, был достигнут необходимый контакта датчика с кластерами. Кроме вышеуказанных факторов, данная смесь в меньшей степени подвержена сегрегации при перемешивании, чем реальная смесь кокса и агломерата.

Благодаря этому, наблюдается формирование численного значения порога перколяции 59 % ШЭПМ в смеси и характеристик кластеров в полном соответствии с общефизической теорией перколяции.

Для определения кластерной структуры смеси шихтовых материалов доменной плавки предлагается использовать разность значений электрического сопротивления кокса и агломерата.

В определенных смесях должны образовываться характерные кластеры кокса с присущим им электрическим сопротивлением.

Изучение закономерностей образования кластеров в сыпучих многокомпонентных системах показало возможность расшифровки электрического сопротивления микрообъемов шихты, содержащей кокс и железорудные материалы. Для этого были

проведены специальные лабораторные исследования по измерению электрического сопротивления смесей реальных шихтовых материалов, содержащих кокс и агломерат.

Измерения проводились в следующем порядке. Подготовленная смесь шихтовых материалов высыпалась в металлическую бочку; датчик погружался в слой смеси на среднюю глубину бочки, не касаясь дна; выступающая часть датчика засыпалась смесыо; смесь вокруг датчика уплотнялась; измерялось электрическое сопротивление смеси; датчик в слое перемещался, и электрическое сопротивление снова измерялось. Для каждой смеси быловыполненопо25та

Рис. 8. - Измерительная установка, используемая при проведении экспериментов с

Рис. 9. - Измерение электрического сопротивления смеси кокса и агломерата

Результаты измерений показаны на Рис. 10. На графике прослеживается обратно пропорциональная зависимость сопротивления смеси К от содержания в ней кокса.

Существуют характерные диапазоны сопротивлений, которые независимо от состава смеси встречаются чаще, чем другие.

40 60

% Кокса

Рис. 10. - Результаты измерений электрического сопротивления смесей шихтовых материалов при разном содержании кокса и области (а - д) распределения кокса и

агломерата

На Рис. 10 в области (а) представлено распределение кокса и агломерата в смеси с 20 % кокса, где куски кокса образуют маленькие и соизмеримые с датчиком кластеры (такие кластеры могут также образовываться и в других смесях).

В области (б) (области разрушаемого кластера) представлена замкнутая длинная цепь, которую теоретически могут образовывать куски кокса при его объемной доле в смеси 40 %. В реальном слое эти регулярные структуры отсутствуют (данная структура была создана искусственно). Поэтому в этой области наблюдается разрыв массива данных.

В области (в) представлен большой кластер кокса; несмотря на то, что доля кокса в смеси равна 40%, он может образовывать такого рода кластеры, которые значительно уменьшают значение измеряемого сопротивления (порядка 1 - 5 Ом).

В области (г) показана структура смеси после порога перколяции (60 % кокса); куски кокса образуют непрерывную цепочку, которая резко снижает электрическое сопротивление всей смеси (для данной смеси с 80 % кокса - порядка 2,5 Ом).

В области (д) показан чистый кокс; значение электрического сопротивления этой смеси - порядка 1 Ом.

На Рис. 11 представлена гистограмма десятичных логарифмов сопротивлений всех измерений, которая указывает на образование кластеров двух наиболее вероятных размеров (видны два максимума плотности вероятности): большого (бесконечного) кластера (1§(0; 1]) и маленького кластера 0я(6; 6,5]), которые можно встретить в смеси с вероятностью, зависящей от доли кокса в смеси.

О о ю N со со сл сл я

о СП о СП о СП о СП о сп о сп о

¿л -А -а N1 го со со ■и сл сл о> а>

ъ О] о ¿2 о "сл о "сл о сл о ¿л

Рис. 11,- Гистограмма логарифмов электрического сопротивления смесей шихтовых материалов (I - смесь с 20% кокса; 2 - 40% кокса; 3 - 60% кокса; 4 - 80% кокса; 5 - 100%

кокса)

Изломы кривой на Рис. 10 в области 60 % кокса и 40 % агломерата в смеси

находятся в соответствии с теоретическим значением порога перколяции-- 59,27 %.

Смещение данного излома в сторону смеси с 60% кокса, а также размывание порога перколяции наблюдается ввиду того, что не был достигнут необходимый контакта датчика с кластерами.

Вышеуказанные факторы, влияющие на размывание порога перколяции смесей кокса и агломерата, позволяют провести оценку размеров кластеров кокса в смеси с

агломератом. Именно скопления кокса наряду со слоями в шахте печи, особенно в зоне пластического состояния агломерата, оказывают значительное влияние на газопроницаемость.

На Рис. 12-15 представлены фотографии отдельных искусственных кластеров кокса, конфигурация и размер которых формировались вручную.

Рис. 12. - Разрушаемый кластер кокса до разрушения (3), маленький кластер кокса (1) и соизмеримый с размерами датчика кластер кокса (2), смесь 20 % кокса и 80 % агломерата

Рис. 13. - Разрушаемый кластер кокса после разрушения, смесь 20 % кокса и 80 %

агломерата

Рис. 15. - Бесконечный кластер кокса, смесь 80 % кокса и 20 % агломерата

Для оценки важнейшей характеристики кластеров - их среднего размера - были приняты следующие допущения:

Рис. 14,-

Большой кластер кокса (2) и маленький кластер кокса (1), смесь 40 % кокса и 60

янм

ШВИЯ ВНРШ

рЩШ

ЁНЗ

1) область решения задачи является плоской (двумерной) в отличие от реальной трехмерной системы сыпучих материалов. Реальная перколяция трехмерна и кластеры являются трехмерными объектами;

2) в модели частицы всех материалов имеют условно одинаковые размеры, обусловленные размерами ячейки координатной сетки.

При сведении трехмерной задачи к асимметричной двумерной модель перколяции дает качественно и количественно правильную оценку явления.

На полученные в ходе лабораторных исследований фотографии смесей шихтовых материалов (20 % кокса и 80 % агломерата, 40 % кокса и 60 % агломерата) наложили регулярную прямоугольную сетку с размером ячейки 2 х 2 см.

Рис. 16. - Фото (с наложением сетки) смеси шихтовых материалов: 20 % кокса и 80 %

агломерата.

Определим средний размер кластера для смеси шихтовых материалов (20 % кокса и 80 % агломерата) Рис. 16.

Расчет распределения кластеров по размерам проводили по формуле

(3)

где <7У,> - среднее число кластеров размером 5; N - полное число ячеек.

Вычисляли полное число занятых ячеек от<,.(/0, гДе 5".ч(р)' число занятых

5

ячеек, принадлежащих кластерам размером

Число занятых ячеек, принадлежащих кластерам размером 5 равно (р). Вероятность того, что случайно выбранный занятый узел принадлежит кластеру размером 5, определяется по формуле:

Средний размер кластера:

Ij\(P)

5 = —Г7- (5)

■V

После обработки результатов получены следующие данные:

- средний размер кластера для смеси с 20 % кокса и 80 % агломерата (см. Рис. 16): =34,8 см2;

- средний размер кластера для смеси с 40 % кокса и 60 % агломерата: =82,43 см".

По проделанным исследованиям можно сделать следующие основные выводы:

- наблюдается формирование численного значения порога перколяции 59,27 % и характеристик кластеров в полном соответствии с общефизической теорией перколяции.

- перколяция шихтовых материалов оказывает большое влияние на работу доменной печи. Она влияет на газопроницаемость, скорость истечения газов, теплообмен между газом и шихтой, массообмен, положение зоны когезии, образование коксовых окон, ход печи и т.д.

- наблюдается наличие разрывов в экспериментальных данных, когда размер кластера соизмерим с размером измеряющего элемента датчика (кругового электрического контакта), когда зонд разрушает кластер и измерение не производится вовсе, либо измеряется электрическое сопротивление разрушенного кластера (т.е. кластера, существенно меньшего по размеру).

Ввиду того, что все вышеуказанные феномены являются общефизическими свойствами сыпучих хаотических систем и таким образом, являются в принципе неустранимыми, для промышленной метрологической сертификации датчик вида шихтовых материалов следует классифицировать как "индикатор кокса", в отличие от предполагаемой ранее классификации "измерительное устройство" для измерения распределения кокса в доменной печи.

IV. РАЗРАБОТКА ДАТЧИКА ВИДА ШИХТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ЕГО ГРАДУИРОВКА В УСЛОВИЯХ ОАО «НЛМК».

В доменном цехе №1 ОАО «НЛМК» на участке шихтоподачи доменной печи №5 были проведены промышленные опыты по измерению электрического сопротивления смесей шихтовых материалов (кокса и агломерата) для градуировки промышленной версии АЗСС, установка которой планируется на ДП №5.

Измерительная установка и проведение опытов показаны на Рис. 17. Методика эксперимента была аналогична методике, описанной в предыдущем разделе. Отличие лишь в том, что исследования проводились с шихтой непосредственно загружаемой в ДП №5, а датчик вида шихтовых материалов был изготовлен как точная копия промышленного (в масштабе 1:1).

Результаты измерений показаны на Рис. 18. На основе полученных экспериментальных данных возможна надёжная градуировка датчика вида шихтовых материалов. Её принцип основан на том простом факте, что граница двух соседних смесей соответствует тем значениям логарифмов электрических сопротивлений, где их вероятности равны. Таким образом, расшифровка зон смесей кокса и агломерата (в общем случае кокса и железорудных материалов) носит вероятностный характер, как и полученная, в конечном счёте, конфигурация слоев шихтовых материалов.

Рис. 17. - Измерение электрического сопротивления смесей шихтовых материалов в промышленных условиях

В таблице 2 представлены полученные опорные сопротивления смесей материалов.

На Рис. 19 представлены результаты аналогичных исследований на заводе ЕКО Stahl Arcelor Gruppe (Германия). Из Рис. 18 и 19 видно, что результаты, полученные в результате исследования на ОАО «НЛМК», также как и результаты исследований на заводе ЕКО Stahl находятся в соответствии с общефизической теорией перколяции, в том числе в той ее части, где определяется общетеоретическое значение порога перколяции и закономерности образования кластеров в хаотической системе. Разница в значениях и диапазонах сопротивлений для различных смесей обусловлены различием геометрических размеров датчиков (датчик, использовавшийся при проведении исследований на ОАО «НЛМК» имел диаметр 160 мм, а датчик, использовавшийся при проведении исследований на заводе ЕКО Stahl - 100 мм).

О 20 40 60 80 100

% кокс в шихте

Рис. 18. - Результаты промышленных опытов по измерению электрического сопротивления смесей шихтовых материалов на ОАО «НЛМК»

% кокс в шихте

Рис. 19. - Результаты промышленных опытов по измерению электрического сопротивления смесей шихтовых материалов на заводе EKO Stahl

Доля кокса в смеси, % Логарифм сопротивления Опорные сопротивления, Ом

100

-0,497 0,318

80

0,104 1,271

60

1,083 12,106

40

3,277 1892,344

20

5,479 301300,602

0

V. ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Результаты, полученные в настоящей работе, позволят более эффективно использовать БЗУ Пауль Вюрт, математическую модель загрузки и автоматическую зондовую сканирующую систему для загрузки доменных печей, разработки новых методов загрузки и контроля распределения шихтовых материалов в работающей доменной печи.

БЗУ Пауль Вюрт и модель загрузки уже установлены на многих отечественных и зарубежных металлургических предприятий (ОАО «НЛМК», ОАО «ММК», ОАО «КМЗ», ЕКО Stahl Arcelor Gruppe (Германия)) и дают положительные результаты. В таблице 3 представлены результаты применения БЗУ Пауль Вюрт типа «КОМПАКТ» и математической модели загрузки на ДП № 4 и №6 ОАО «ММК».

Таблица 3. - Результаты применения БЗУ Пауль Вюрт и математической модели загрузки на ДП №4 и №6 ОАО «ММК»

Показатель №4 № 6

13.08.06 04.12.06 08.07.07 - 15.04.06 15.07.07-

_ _ 08.03.07" _ 15.08.07"

13.09.06* 28.12.06" 15.05.06*

Производительность, т/сут 3438 3425 3694 3142 3483

Удельный расход кокса, кт/т чугуна 473.4 455.8 437.9 458,1 433,4

Удельный расход агломерата, кг/т чугуна 1128 1106 976 1085 1101

Удельный расход окатышей, кг/т чугуна 544 585 649 588 839

Расход природного газа, »Дт чугуна 103 94,8 107,6 106,8 115.7

Содержание 02 в дутье, % 26.6 26.6 26,7 27,3 27.6

Температура горячего дутья, *С 1145 1153 1185 1142 1129

Степень использования СО, % 45.1 48.3 47,1 44,4 45.9

Содержание в чугуне. % 0,64 0,7 0,72 0.66 0.8

Средняя температура колошникового 324 150 148 314 149

газа,'С

Температура газа в центре. "С — 341 433 — 459

Температура газа у стены.'С — 175 142 — 120

* До установки БЗУ.

** После установки БЗУ.

БЗУ Пауль Вюрт типа «МИНИ» и математическая модель загрузки были установлены на ДП №1 ОАО «КМЗ», которая была введена в эксплуатацию в феврале 2010. Через три месяца после задувки ДП №1 работала с показателями лучше, чем в

лучшие из периодов работы ДП №3 и ДП №1 до реконструкции. При этом существуют резервы дальнейшего снижения расхода кокса, такие как загрузка коксовой мелочи, которые будут использованы в будущем.

На новой ДП №7 ОАО «НЛМК», ввод в эксплуатацию которой запланирован на 2011 год, будут установлены БЗУ Пауль Вюрт, математическая модель загрузки Пауль Вюрт-МИСиС и автоматическая зондовая сканирующая система ТМТ-МИСиС. Учитывая опыт применения данных средств на других предприятиях, ожидается значительный эффект от их внедрения.

По проделанной работе можно сделать следующие основные выводы: - Получена новая информация о свойствах и поведении шихтовых материалов и доказана недостоверность результатов применения известных ранее аналитических уравнений для оценки связи гранулометрического состава многокомпонентной смеси с ее порозностью;

Предложен новый универсальный метод оценки порозности слоя сыпучих

материалов, основанный на полученной новой информации;

- Разработан программный комплекс МАРСС, позволяющий с достаточной для практических нужд точностью производить оценку порозности в работающей доменной печи;

- Данный комплекс будет внедрен в новую версию математической модели загрузки доменной печи, что позволит качественно лучше производить оценку формы и положения зоны плавления в работающей доменной печи и разрабатывать новые специфические системы загрузки;

- Разработан датчик вида шихтовых материалов для его применения в составе АЗСС на доменной печи №5 ОАО «НЛМК» и произведена его градуировка.

По материалам диссертации были опубликованы следующие работы:

1. Доброскок В.А., Кокорин Д.С., Михин P.A., Юсфин Ю.С. Измерение распределения кокса по радиусу в работающей доменной печи. М.: Известия ВУЗов «Черная металлургия», №1. 2010, с.3-5.

2. Доброскок В.А., Кокорин Д.С., Михин P.A., Юсфин Ю.С. Исследования кластерной структуры шихтовых материалов доменной плавки на основе измерения их электрического сопротивления. М.: Известия ВУЗов «Черная металлургия», №3. 2010, с.3-5.

3. Михин P.A. Исследование свойств сыпучих шихтовых материалов доменной плавки с целью метрологической сертификации автоматической зондовой сканирующей системы// Сборник докладов конференции «64-е дни науки студентов МИСиС». 2009. с. 118-120.

4. V.A. Dobroskok, D.S. Kokorin, R.A. Mikhin, and Yu.S. Yusfin. Measuring the Coke Distribution over the Radius in an Operational Blast Furnace. Steel in Translation, 2010. Vol. 40, No. l,pp. 1-3.

Заказ№ 155а/09/10 Подписано в печать 23.09.2010 Тираж 100 экз. Усл. п.л. 1,3

,4?ООО "Цифровичок", тел. (495) 649-83-30 )) www.cfr.ru; е-таИ:'т/о@с/г.ги

Введение

1 Загрузка шихтовых материалов и контроль их распределения в доменной печи

1.1 Управление загрузкой шихтовых материалов в доменную печь

1.1.1 Бесконусное загрузочное устройство

1.1.2 Математическая модель загрузки доменной печи

1.1.3 Перечень физических феноменов, учитываемых в модели загрузки

1.1.4 Метод крупных частиц

1.2 Контроль параметров доменной печи при помощи зондов

1.2.1 Сканирующие зонды

1.2.2 Система непрерывного сканирующего зондирования

1.2.3 Автоматическая зондовая система для измерения распределения кокса в доменной печи

1.2.4 Автоматическая зондовая сканирующая система на заводе EKO Stahl Arcelor Gruppe (Германия)

1.3Выводы по разделу

2 Теоретические основы математической модели загрузки и автоматической зондовой сканирующей системы

2.1 Теория перколяции

2.1.1 Основные понятия теории перколяции

2.1.2 Перколяция как критическое явление

2.1.3 Критические показатели и масштабная инвариантность

2.1.4 Основные постулаты теории перколяции (для сыпучих систем)

2.2 Моделирование «поведения» частиц внутри столба шихтовых материалов 47 2.2.1 Изучения процесса перколяции реальных шихтовых материалов на заводе EKO Stahl

2.3 Углы откоса

2.4 Порозность многокомпонентных сыпучих смесей

2.5 Выводы по разделу

3 Исследование порозности сыпучих многокомпонентных смесей

3.1 Проведение лабораторных опытов по измерению порозности сыпучих многокомпонентных смесей

3.1.1 Описание оборудования

3.1.2 Проведение экспериментов

3.1.3 Обработка результатов эксперимента

3.2 Выводы по разделу

4 Изучение свойств сыпучих шихтовых материалов

4.1 Опыты по измерению электрического сопротивления смесей металлических электропроводных шаров (ШЭПМ) диаметром 8 мм (имитирующих кокс) и металлических неэлектропроводных шаров (ШНЭПМ) диаметром 4,5 мм (имитирующих железорудные материалы), представляющих собой близкие к идеальным сыпучие смеси (с коэффициентом формы равным 1)

4.1.1 Описание оборудования

4.1.2 Проведение экспериментов

4.1.3 Математическая обработка полученных результатов

4.2. Опыты по измерению электрического сопротивления смесей металлических электропроводных шаров (ШЭПМ) диаметром 8 мм (имитирующих кокс) и неэлектропроводных шаров (ШНЭПМ) диаметром 4,5 мм (имитирующих железорудные материалы), представляющими собой близкие к идеальным сыпучие смеси (с коэффициентом формы равным 1) с использованием дополнительного уплотнения

4.2.1 Описание оборудования

4.2.2 Проведение экспериментов

4.2.3 Математическая обработка полученных результатов

4.3. Опыты по измерению электрического сопротивления смесей шихтовых материалов (кокса и агломерата) в условиях лаборатории МИСиС

4.3.1 Описание оборудования

4.3.2 Проведение экспериментов

4.3.3 Математическая обработка полученных результатов

4.4 Определение среднего размера кластера кокса

4.5 Статистическая обработка результатов лабораторных исследований

4.6 Выводы по разделу 118 5 Разработка датчика вида шихтовых материалов и его градуировка в условиях ОАО «HJIMK»

5.1 Промышленные опыты по измерению электрического сопротивления смесей шихтовых материалов (кокса и агломерата) в доменном цехе №1 на ОАО HJIMK ОАО «НЛМК»

5.1.1 Описание оборудования для градуировки

5.1.2 Проведение опытов

5.1.3 Математическая обработка полученных результатов

5.2 Сравнение полученных результатов с результатами промышленных опытов на заводе ЕКО Stahl Arcelor Gruppe (Германия)

5.3 Выводы по разделу 138 Заключение и выводы по работе 139 Публикации по материалам диссертации 144 Список использованных источников 145 Приложение 1 150 Приложение 2 167 Приложение

Актуальность работы

Создание и применение бесконусных загрузочных устройств, оснащенных автоматизированными средствами контроля и управления, обладающих широкими возможностями управления распределением шихты, высокой долговечностью и ремонтопригодностью, явилось новым этапом в развитии оборудования и технологии плавки. Высокая эффективность применения бесконусных загрузочных устройств может быть достигнута при квалифицированном технологическом сопровождении; однако, производственная проблема заключается в том, что без визуализации работы загрузочного устройства и распределения шихтовых материалов технологический персонал не в состоянии использовать все регулирующие возможности БЗУ. Данная проблема может быть решена с помощью математической модели загрузки, которая позволяет визуализировать работу загрузочного устройства и распределения шихтовых материалов.

Недостатком разработанной ранее математической модели загрузки является задание экспертом-технологом неизменного значения порозности шихты, в то время как в реальности значение порозности существенно колеблется и зависит от фракционного состава шихты.

Одной из задач данной работы является получение информации о значении порозности в функции от фракционного состава шихтовых материалов, а также создания алгоритма учета порозности загружаемой смеси в модели загрузки.

Математическая модель загрузки позволяет в режиме «ОФФ-ЛАЙН» разрабатывать различные методы и системы загрузки и прогнозировать результаты их применения. Для получения реальной информации о распределении шихтовых материалов в работающей доменной печи применяется Автоматическая зондовая сканирующая система (АЗСС).

Автоматическая зондовая сканирующая система - это эффективное средство для диагностики распределения шихтовых материалов в доменной печи, не имеющее в настоящее время альтернативы.

Сканирующее зондирование предоставляет надежную информацию для диагностики работы доменной печи. Технико-экономический эффект от применения АЗСС обусловлен получением достоверной информации о распределении кокса и железорудных материалов в работающей доменной печи. Применение автоматической зондовой сканирующей системы позволяет сравнивать результаты зондирования с результатами моделирования в модели загрузки с целью оценки достоверности моделирования и внесения корректировок и уверенно разрабатывать специфические системы загрузки для утилизации в доменной печи шихтовых материалов с пониженными газодинамическими свойствами. На основе структуры столба шихтовых материалов производится оценка такого важнейшего газодинамического параметра как распределение порозности по радиусу колошника. Поле порозности шихтовых материалов в плоскости зондирования служит основой для определения газового потока в пространстве доменной печи.

Необходимым условием для получения достоверных данных распределения сыпучих материалов в доменной' печи является проведение исследования их свойств с целью метрологической сертификации автоматической зондовой сканирующей системы (АЗСС), а также анализ факторов, влияющих на размывание порога перколяции смесей кокса и агломерата.

Также задачей данной работы является рассмотрение основных теоретических основ, опираясь на которые, функционирует автоматическая зондовая сканирующая система и принципы работы самой системы.

Необходимым условием адекватной расшифровки сигналов датчика вида шихтовых материалов (ДВШМ) является проведение промышленных опытов по его градуировке. Градуировка ДВШМ (в условиях ОАО «НЛМК») и является третьей задачей данной работы.

Научная новизна работы

1. Получена новая информация о свойствах и поведении шихтовых материалов (кластерообразование, воспроизведение теоретического порога перколяции, образование вложенных порогов перколяции в смеси материалов различных фракций (>2), зависимость порозности смеси от ее гранулометрического состава) позволяющая техническому персоналу металлургических комбинатов и заводов производить оценку порозности в работающей доменной печи.

2. Введено понятие «эквивалентного слоя» - слоя из смеси фракций разного диаметра, эквивалентного слою шихтовых материалов в промышленных условиях в доменной печи, позволяющее с помощью расчетов давать оценку газопроницаемости (порозности) столба шихтовых материалов в работающей доменной печи.

3. В работе доказана недостоверность результатов применения известных ранее аналитических уравнений для оценки связи гранулометрического состава многокомпонентной смеси (число фракций >2) с ее порозностью. Предложено использовать новую алгоритмическую схему для анализа порозности столба шихтовых материалов - разработанный программный комплекс МАРС, основанный на методе оптимального приближения реальной смеси к экспериментальным данным.

Практическая значимость

1. Разработан программный комплекс МАРС, который позволяет с достаточной для практических нужд точностью производить оценку порозность в работающей доменной печи, что позволяет использовать его для математического обеспечения сканирующего зонда и модели загрузки и с высокой достоверностью производить оценку формы и положения зоны плавления в работающей доменной печи.

2. Разработан датчик вида шихтовых материалов; произведена его градуировка в промышленных условиях для применения на ДП5 ОАО «НЛМК» и предложена его классификация.

5.3 Выводы по разделу

1) Факторы, влияющие на размывание порога перколяции смесей кокса и агломерата, указывают на необходимость отдельного исследования условий контакта датчика с кластерами кокса.

2) В результате исследования, градуировки и изучения градуировочных характеристик датчика вида шихтовых материалов (ДВШМ) было получено достоверное соответствие результатов градуировки общей теории перколяции:

2.1) соответствие экспериментального порога перколяции 60% теоретическому 59,27%;

2.2) уверенная индикация 3-х видов кластеров кокса:

- размер измеряемого кластера существенно меньше размера датчика (область высоких сопротивлений - 32 КОм);

- размер измеряемого кластера существенно превышает размер датчика (большие и бесконечные кластеры) (область кластеров после порога перколяции, область сопротивлений 3,2 Ом);

- размер кластера сопоставим с размером датчика (область сопротивлений 30-500 Ом). При этом происходило уверенное разрушение (деформация) этих кластеров движущимся датчиком, что приводило к разрывам в массиве сопротивлений в этой области.

3) Градуировочная характеристика ДВШМ является индикаторным массивом сопротивлений, соответствующих тем или иным кластерам смеси кокса и железорудных материалов.

Заключение и выводы по работе

Результаты, полученные в настоящей работе, позволят более эффективно использовать БЗУ Пауль Вюрт, математическую модель загрузки и автоматическую зондовую сканирующую систему для загрузки доменных печей, разработки новых методов загрузки и контроля распределения шихтовых материалов в работающей доменной печи.

БЗУ Пауль Вюрт и математическая модель загрузки уже установлены на многих отечественных и зарубежных металлургических предприятиях (ОАО «HJIMK», ОАО «ММК», ОАО «КМЗ», EKO Stahl Arcelor Gruppe (Германия)) и дают положительные результаты. В таблице 1 представлены результаты применения БЗУ Пауль Вюрт однотрактного типа, математической модели загрузки и автоматической зондовой сканирующей системы на доменной печи 5А EKO Stahl Arcelor Gruppe (Германия) [13]. Базовый период - период до применения на печи модели загрузки и нового программного- обеспечения АЗСС. На протяжении всего периода эксплуатации системы диагностики наблюдается устойчивая тенденция доменной плавки к улучшению технико-экономических показателей. В таблице 2 представлены некоторые конструктивные особенности ДП 5А.

1. Вегман Е.Ф. Краткий справочник доменщика. М., «Металлургия», 1981, с. 240.

2. Автоматическое управление металлургическими процессами: Учебник для вузов. 2-е изд., перераб. и доп.// Беленький A.M., Бердышев В.Ф., Блинов О.М., Каганов В.Ю. М.: Металлургия, 1989.

3. Лапшин И.В. Алгоритмизация задач управления технологическими процессами черной металлургии. М: МИСиС, 1995;

4. Липухин Ю.В., Булатов Ю.И. Автоматизация основных металлургических процессов. М.: Металлургия, 1990;

5. Тарасов В. П. Загрузочные устройства шахтных печей. — М.: Металлургия, 1974. — 311 с.

6. А. с. 125573 СССР. Засыпной аппарат для доменной печи / Е. Ф. Вегман, А. А. Вагин // Открытия. Изобретения. I960; №2. С.121- 125.

7. А. с. 81143 СССР. Вращающийся распределитель шихты для шахтных печей / А. Г. Кошелевский // Открытия. Изобретения. 1966. №9. С. 113-115.

8. Моделирование роторного загрузочного устройства в масштабе 1:1: Отчет НИР. ЦЛАМ ЗСМК. 1987.

9. Пат. 2067792 РФ / ЗАО "Научно-производственный и коммерческий центр ТОТЕМ" // Изобретения. Заявки и патенты. 1996. № 28.

10. Роторное загрузочное устройство // Сталь. 1998 . № 11. С. 15-17.

11. Большаков В. И. Теория и практика загрузки доменных печей. — М.: Металлургия, 1990. —256с.

12. A.M. Беленький, О.М. Блинов и др. Теплотехнические измерения и приборы: Учебник для вузов. М., 1993;

13. Разработка и промышленное применение методов, алгоритмов и инструментальных средств идентификации для системы компьютерной диагностики доменного процесса. Мернитц И.: Диссертация на соискание ученой степени кандидата наук. М.: 2002,- 258 е., ил.

14. Новые методы математического моделирования и эксперементального исследования поведения шихтовых материалов доменной плавки. Загитов Р. Э: Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. М.: 1998, 29 с.

15. Новые методы экспериментального исследования и математического моделирования поведения шихтовых материалов доменной плавки. Загитов Р.Э. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук.

16. Тарасов В.П. Комплексное исследование и оптимизация газодинамики в шахте доменной печи//Дис. на соиск. уч. ст. д.т.н.- Днепропетровск, 1980.

17. В.А. Доброскок. Специальные системы загрузки доменных печей. // Чёрные металлы, перевод с немецкого, сентябрь 2007 г., с. 13-21.

18. Доброскок В. А., Загитов Р.Э. Моделирование распределения шихтовых материалов в доменных печах методом крупных частиц. Известия высших учебных заведений. Черная металлургия, 1996, №11.

19. B.A. Доброскок, Ю.В. Липухин, И.Ф. Курунов, В.Н. Логинов. Разработка режима загрузки и опыт применения мелкофракционного кокса в мощной доменной печи. Сталь, №8, 1998, с.7-13

20. Официальный сайт фирмы ТМТ www.tmt.com.

21. Метрологическое обеспечение технологических процессов черной металлургии (метрология и информатика). Серов Ю.В.: Справ, изд. в 2-х кн. Кн.

22. М.: Металлургия, 1993. - 272 с

23. Метрологическое обеспечение технологических процессов черной металлургии (метрология и информатика). Серов Ю.В.: Справ, изд. в 2-х кн. Кн.

24. М.: Металлургия, 1993. - 352 с.

25. Загитов Р. Э., Киреев С. В., Чижиков А. Г. Зависимость электропроводимости агломерата и кокса от температуры //Изв. вузов. Чёрная металлургия.-1998.- №7.

26. Электрические зонды для определения распределения материалов на колошнике доменной печи/Н.А. Савчук, С.Б. Ященко, И.Ф. Курунов//Бюллетень ин-та "Черметинформация". Черная металлургия.-1985 -N22.-c.36-38.

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

28. Метрологическое обеспечение технологических процессов черной металлургии (метрология и информатика). Серов Ю.В.: Справ, изд. в 2-х кн. Кн.1 -М.: Металлургия, 1993. 272 с

29. Метрологическое обеспечение технологических процессов черной металлургии (метрология и информатика). Серов Ю.В.: Справ, изд. в 2-х кн. Кн.

30. М.: Металлургия, 1993. — 352 с.

31. Доброскок В.А., Курунов И.Ф., Савчук H.A. и др. Патент 2002809 РФ. Система для контроля распределения шихтовых материалов в доменной печи, Изобретения. Заявки и патенты. 1993. № 41-42.

32. Гулд X., Тобочкник Я. Компьютерное моделирование в физике: В 2-х частях. Часть 1: Пер. с англ. М.: Мир, 1990. - 349 е., ил.

33. Гулд X., Тобочкник Я. Компьютерное моделирование в физике: В 2-х частях. Часть 2: Пер. с англ. М.: Мир, 1990. - 400 е., ил.

34. Доброскок В.А. Загитов Р.Э. Измерение структуры столба шихтовых материалов в доменных печах // Изв. ВУЗов. Черная металлургия, 1996. № 9. с. 81-82.

35. Kurunov I, Dobroskok V., Karabasov J. and others. EUROPEAN PATENT SPECIFICATION EP 1 496 128 Bl, Sensor for defining the distribution of burden material in metallurgical units.

36. Доброскок В. А., Курунов И. Ф., Агарышев А. И., Нетронин В. И., Логинов В. Н. Загрузка коксовой мелочи в доменную печь. Металлург, 1995, № 10, с. 19-20.

37. Й.Бухвальдер, Й. Мёрнитц (ЕКО Stahl), Р. Данго, Г.-О. Кройц (ТМТ) В. Доброскок, И.Курунов (МИСиС) «Автоматическая зондовая система для измерения распределения кокса в доменной печи».// Национальная металлургия, №1,2001, с. 48-52.

38. Й. Бухвальдер, Й. Хунгер, М. Клёппель, В. Доброскок, Р. Данго, Г.-О. Кройц «Использование системы зондов для измерения распределения шихты в доменной печи». Чёрные металлы, №5,2001, с.22-26.

39. Доброскок В.А., Загитов Р.Э. Измерение структуры столба шихтовых материалов в доменных печах. Известия высших учебных заведений. Черная металлургия, 1996, №9, с. 81-82.

40. Доброскок В.А., Титов И.А., Загитов Р.Э. Математическая обработка результатов измерений структуры шихтовых материалов в доменной печи. Известия высших учебных заведений. Черная металлургия, 1997, №1, с. 73-74.

41. J.Buchwalder, V.Dobroskok, E.Lonardi, R.Goffin, G.Thillen, S.Koehler. Contemporary blast furnace top charging practices. Stahl und Eisen, 4/2008, p.47-54.

42. Buchwalder J., Hunger J., Kloppel M. et al. Application of the scanning • system for detection of the real coke distribution at BF 5A of EKO Stahl // 4th

43. European Coke and Ironmaking Congress, Paris, 2000. P. 301 307.

44. Buchwalder J., Dobroskok A. V., Goffin R., Lonardi E. Thillen G. Luxemburg Contemporacy Blast Furnace Top Charging Practice, METEC InSteelCon 2007. P. 610.

45. Тарасевич Ю.Ю. Перколяция: теория, приложения, алгоритмы: Учебное пособие. М.: Едиториал УРСС, 2002. 112 е., илл.

46. Займан Дж. Модели беспорядка. Теоретическая физика однородно неупорядоченных систем. М.: Мир, 1982. Эфрос А.Л. Физика и геометрия беспорядка; главная редакция физико-математической литературы. Москва, Наука, 1982.

47. S. Ergun. Fluid Flow Through Packed Columns. Chem. Eng. Progr. 1952. 48. P. 89-94.

48. Л.Ф. Богданди, Г.-Ю. Энгель. Восстановление железных руд. Издательство «Металлургия», Москва 1971.

49. Furnas С.С. Flow of gases through the beds of broken solids, 1929.

50. N. Standish, Principles in burdening and bell-less charging.

51. В.П. Тарасов, П.В. Тарасов. Теория и технология доменной плавки// Москва, «Интремет Инжиниринг», 2007. 384 с.

52. Томаш А.А., Тарасов В.П., Ковалевский И.А.Анализ влияния различных факторов на порозность зернистых материалов. Мариуполь, 1997.

53. Ковшов В.Н., Петренко В.А.Экспериментальные исследования движения шихты и газа в доменной печи. Институт технологии, Днепропетровск, 1996.

54. Колесанов Ф.Ф. Движение газов через слой кусковых материалов. -М.: Металлургиздат, 1956. -с. 68.

55. Бугаев К.М. Распределение газов в доменных печах. М.: Металлургия, 1974. -с. 175.

56. Bogdandy L. von. Kinetic and dynamic mathematical model of the blast furnace process.//Prac. Int. Conf. Sci. And Technol Iron and Steel. -Tokyo, 1970.-Part Tokyo.- 1971.- p.131-136.

57. Металлургия чугуна: Учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп. / Под редакцией Ю.С. Юсфина. М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. - 774 е.: ил.

58. Рамм А.Н. Определение технических показателей доменной плавки (расчетные бланки и справочные данные). -Ленинград: Изд. ЛПИ, 1960.

59. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Высш. школа, 2003. - 479 е.: ил.

60. Р.С. Тахаутдинов, С.Н. Ушаков, В.И. Сединкин, А.Л. Мавров, А.В. Чевычелов, А.В. Павлов. Технологические оспекты работы доменных печей с БЗУ "PAUL WURTH". «Сталь». №11.2008. стр. 15-17.