автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Совершенствование энерго-, ресурсо- и природосберегающей технологии нагрева дутья в воздухонагревателях доменных печей

Национальная металлургическая академия Украины

РГБ ОД

2 и ипп ?сао

Малый Валентин Васильевич

УДК 669.162.231.85(08 8.8)+669.162.231.92(088.8)

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭНЕРГО-, РЕСУРСО- И ПРИРОДОСБЕРЕГАЮЩЕЙ ТЕХНОЛОГИИ НАГРЕВА ДУТЬЯ В ВОЗДУХОНАГРЕВАТЕЛЯХ ДОМЕННЫХ ПЕЧЕЙ

Специальность 05.16.02 "Металлургия черных металлов"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Днепропетровск 2000

Диссертация есть рукопись

Диссертация выполнена в Национальной металлургической академии Украины

Министерство образования и науки Украины

Научный руководитель:кандидат технических наук, доцент Грес

Леонид Петрович, Национальная металлургическая академия Украины, доцент кафедры теплотехники и экологии металлургических печей

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Плискановский Станислав Тихонович,

Национальная металлургическая академия Украины, профессор кафедры металлургии чугуна

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Можа-

ренко Николай Михайлович,

Институт черной металлургии HAH Украины,

начальник отдела металлургии чугуна

Ведущая организация:

Днепродзержинский государственный технический университет, кафедра руднотермических процессов, Министерство образования и науки Украины

Защита диссертации состоится " 2>9 " 0£>_2000 г., в

Я2,0 часов на заседании специализированного Совета Д08.084.03 при Национальной металлургической академии Украины по адресу 4 9600, г. Днепропетровск, проспект Гагарина, 4,

НМетАУ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национальной металлургической академии Украины,проспект Гагарина,4, г. Дне-пропетровск, Украина, 49600

Автореферат разослан - 15 " Л\<Х& 2000 г.

Ученый секретарь специализированного ученого Совета

Цапко В.К.

К323. ¡03.021.1-3,0

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Рассмотренные- в данной работе вопросы связаны с Комплексной государственной программой энергосбережения и с Основными направлениями государственной политики Украины в области обеспечения экологической безопасности .

На Украине потребляется в 2-3 раза больше энергии, топлива, материальных ресурсов на единицу готовой продукции, чем в развитых странах. Возрождаемые промышленность и наука Украины требуют в доменном производстве коренного улучшения использования топливно-энергетических и сырьевых ресурсов, огнеупоров, металлоконструкций, осуществления технического перевооружения, существенного снижения удельного расхода всех видов топлива, кокса, сокращения вредных выбросов.

Объектом исследований и областью приложения являются воздухонагреватели (ВН) доменных печей (традиционный объект ) .

Предметом исследований являются тепломассообменные, физико-химические, гидродинамические и восстановительные процессы в воздухонагревателях доменных печей для совершенствования технологии получения горячего доменного дутья, теории, и технологии доменного производства.

Связь работы с научными программами, планами и темами.

Диссертация выполнена в соответствии с планами НИР Министерства промышленности Украины и Национальной металлургической академии Украины и относится к темам: "Разработка и проверка новой энергосберегающей технологии нагрева дутья, повышающей уровень эксплуатации доменных воздухонагревателей и обеспечивающей экономию кокса", № государственной регистрации 01880022887; "Разработка и внедрение мероприятий по эффективному использованию топлива на доменных воздухонагревателях и уменьшению вредных выбросов в окружающую среду", № государственной регистрации 018900124 87; "Анализ работы воздухонагревателей доменных печей металлургических предприятий Минпрома Украины", № государственной регистрации 0193и043643.

Цель и задачи исследований: сокращение удельного расхода кокса за счет повышения температуры доменного дутья;, высвобождение природного газа при отоплении ВН; увеличение их

межремонтных периодов, снижение вредных выбросов в атмосферу-

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:

- разработать математическую модель тепломассообменных процессов в доменном ВН и метод расчета ВН с учетом зависимости теплофизических свойств и коэффициентов теплоотдачи теплоносителей от температуры;

- выбрать экономико-экологические критерии эффективности эксплуатации ВН и рассчитать их значения с учетом тепломассообменных, физико-химических и восстановительных процессов в ВН;

- разработать новый способ сушки и разогрева ВН с использованием доменного дутья.

Научная новизна:

- разработан аналитико-численный метод расчета тепломассообменных процессов при работе ВН, температурных полей насадки, дутья и продуктов сгорания, отличающийся от известных тем, что учитываются теплофизиче/ские свойства теплоносителей и значения коэффициентов теп/лоотдачи на каждом шаге расчета, а также производятся итерации значений температуры уходящих продуктов сгорания до получения сходимости с заданной точностью;

- теоретически обоснована и усовершенствована комплексная технология нагрева доменного дутья, имеющая по сравнению с существующей технологией лучшие показатели по удельному расходу кокса, потреблению топлива, электроэнергии, огнеупоров, металлоконструкций, а также по вредным выбросам в окружающую среду;

- выполнена оценка стойкости кладки ВН при изменяющихся условиях службы; .

-. разработан расчегно-экспериментальный метод определе-.ния газоплотности футеровки ВН с использованием гидродинамических характеристик изменения давления в рабочем пространстве ВН и у кожуха при наполнении ВН дутьем;

- определена связь между КИТ, КПД пирометрическим коэффициентом, позволяющая повысить точность расчета тепломассообменных процессов в ВН.

Практическая ценность. Разработанный аналитико-числен-ный метод расчета тепломассообменных процессов в ВН использован для расчета температурных полей теплоносителей, основных параметров тепловой работы ВН и может быть применен при выборе распределения огнеупоров по высоте ВН, при определении физико-химических условий образования флюсующей пробки в насадке, при анализе условий работы динаса и др.

Разработанные новые способы сушки и разогрева ВН позволяют увеличить их межремонтный период, а новые конструкции ВН и предложения по модернизации элементов ВН - повысить эффективность их работы.

Используя гидродинамический метод определения газоплотности футеровки ВН можно вести текущий контроль за состоянием его футеровки для своевременной остановки ВН на ремонт.

Разработаны новые способы отопления ВН, которые позволяют повысить температуру ГД и срок службы ВН, сократить расход топлива и снизить вредные выбросы в окружающую среду.

В работе получены научно обоснованные теоретические и экспериментальные результаты по совершенствованию конструкций и режиму работы ВН, которые в совокупности являются существенными для дальнейшего развития теории и технологии до-. менного производства в направлении ресурсо- и энергосбережения, снижения вредных выбросов.

Основные положения, выносимые автором на защиту:

- аналитическо-численный метод расчета тепломассообмен-ных процессов при работе ВН, температурных полей неподвижного теплоносителя (насадки) и движущихся теплоносителей (дутья и продуктов сгорания);.

- результаты исследований эффективности различных способов эксплуатации ВН с использованием целевой функции, представляющей собой сумму текущих, капитальных и амортизационных затрат, а также сумму штрафов за загрязнение окружающей среды;

- усовершенствованную методику расчета пирометрического коэффициента, КИТ и КПД, позволяющую повысить точность расчета тепломассообменных процессов в ВН; •

- результаты исследований стойкости огнеупоров и долговечности ВН с использованием фактических условий;

- разработанную гидродинамическую методику определения газоплотности огнеупорной кладки в процессе эксплуатации ВН;

- результаты разработок новых конструкций ВН;

- результаты разработок по снижению вредных выбросов в окружающую среду при получении горячего доменного дутья;

- метод оценки эффективности использования усовершенствованной технологии нагрева доменного дутья.

Реализация работы в промышленности. Основные полученные в работе результаты использованы на металлургических предприятиях Украины и в проектах УкрГипромеза. Внедрены:

~ модернизация штуцера горячего дутья (на предприяти-

0

ях: Краматорском, Енакиевском, "Криворожсталь и "Запрож-сталь";

- способ разогрева ВН с регламентированными наполнениями дутьём и его выпуском на предприятиях отрасли;

- модернизированный купольный люк на блоке ВН предприятий "Криворожсталь" и им. Петровского;

- установка кессона между внутренним и наружным окатами камеры горения на предприятиях "Криворожсталь" и им. Петровского;

- установка на днище ВН влагосборника для улучшения качества сушки ВН на Предприятиях "Криворожсталь" и им. Петровского;

- модернизированная кладка купола для повышения равномерности распределения продуктов горения по сечению насадки на ВН МК Череповецком и "Криворожсталь".

В рабочей документации УкрГипромеза использован: модернизированный купол ВН - на блоке ВН МГД - генератора Рязанской ГЭС для бескахтного отопления ВН.

Доля автора в реальном экономическом эффекте от внедрения разработок составила 246,783 тыс. руб. Долевой экономический эффект от внедрения в проекты реконструкции ВН составляет 1897,5 тыс. руб. (в ценах 1990г.). Использование результатов настоящей работы в проектной документации УкрГипромеза позволило обеспечить высокий уровень проектов, повысить при использовании на предприятиях отрасли межремонтные периоды воздухонагревателей доменных печей на 3-5%, уменьшить расход кокса на 1-3%.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы были доложены и обсуждены на:

III международной научно-технической конференции "Теория и практика решений экологических проблем в горнодобывающей и металлургической промышленности (к 100-летию ГМе-тАУ), Днепропетровск, 17-18 ноября 1998 г.;

- международной конференции "Проблемы печной теплотехники (к 100-летию со дня рождения профессора И.Д.Семи/кина), Днепропетровск, 18-20 мая 1999 г.;

- V-ом международном Конгрессе доменщиков, Днепропетровск-Кривой Рог, 7-11 июня 1999 г.

Основное содержание работы опубликовано в 19-ти печатных работах, а также в 25 авторских свидетельствах на изобретения по теме диссертации, не вошедших в прилагаемый список трудов.

Работа выполнена в Национальной металлургической академии Украины.

Личный вклад диссертанта в выполненную работу.

Экспериментальные и теоретические исследования, вошедшие в диссертационную работу, выполнены непосредственно автором при участии сотрудников УкрГипромеза, комбинатов "Криворожсталь", "Запорожсталь", им. Дзержинского, Краматорского метзавода, НМетАУ, ВНИИМГ, ОАО "Днепрпроект-стальконструкция", УкрГНИИО. Результаты опубликованы в соавторстве с ними. Обработка данных исследований и обобщение результатов их проведены автором самостоятельно.

Автор выражает благодарность научному руководителю работы доценту Гресу Л.П., профессору Свинолобову Н.П., ст . н. сотруднику Флейшману Ю.М., начальнику доменного отдела УкрГипромеза Жарикову А.Н. за плодотворное сотрудничество при выполнении исследований.

Объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Она содержит 143 стр. машинописного текста, а также 8 таблиц, 27 иллюстраций, 23 библиографический список, включающий 18 8 наименований, приложения на 21 странице. Общий объём работы 222 стр.

Содержание работы. В главе 1 представлен аналитический обзор литературы, посвященный вопросам энерго-, ресурсо- и природосбережения при работе доменных ВН. Совершенствование методов расчета процессов тепломассообмена в ВН температурных полей насадки, дутья, продуктов горения, а также тепловой работы ВН в кризисных условиях приобретает важное значение .

Значительный вклад в теорию и практику энергосбережения в черной металлургии Украины внесли: Розенгарт Ю.И., Плиска-новский С.Т., Губинский В.И., Хейфец Р.Г., Теверовский Б.З., Ольшанский В.М., Свинолобов Н.П., Готлиб А.Д., Коробов И.И., Некрасов З.И., Воловик Г. А., Гиммель.фарб А. А., Товаровский И.Г., Бородулин A.B., Можаренко Н.М. и др.

Теорию регенерации тепла и тепломассообмена в ВН развивали и внесли в неё значительный вклад: Семикин И.Д., Гольд-фарб Э.М., Аверин С.И., Грес Л.П., Левченко Б.А., Кошельник В.М., в ближнем зарубежье: Тимофеев В.Н., Шкляр Ф.Р., Малкин В.М., Каштанова С.П., Калугин Я.П. и др. Анализ рассмотрения развития методов расчета ВН показал, что в настоящее время предпочтение оказывают численным методам расчета в связи с бурным использованием ПЭВМ.

При рассмотрении вопроса выбора типа насадки, её поверхности и массы проанализированы методики ВНШМТ, Семикина И.Д. - Гольдфарба З.М., дающие близкие результаты, и методики УкрГипромеза, фирмы "Дидье-Верке", соотношения подобия Гольдфарба Э.М., Санна Д. и др., дающие существенно отличающиеся результаты; отмечена тенденция к значительному сокращению удельных поверхностей нагрева ВН и длительностей периодов их работы.

Рассмотрены системы утилизации тепла отходящих дымовых газов, из которых наиболее перспективными признаны теплообменники с промежуточным жидким теплоносителем для подогрева компонентов горения децентрализованного типа.

Сформулированы экологические требования, предъявляемые к нагреву доменного дутья.

В главе 2 исследована тепловая работа ВН при различных вариантах отопления, рассмотрена роль математических моделей, выбора критерия для оценки выгодности различных вариантов отопления ВН. Предложен критерий оптимальности Ц, вклю-

п

чающий годовые суммы (грн/год): £ - штрафов за выбросы

1 = 1

N0* и СО, эксплуатационных затрат Э на топливо и окислитель, капитальных затрат К, грн;

Д

Ц = Э + ЕНК + ЕНК + I . (1)

1=1

I

где: Еп, Ен - соответственно нормативные коэффициенты амортизационных отчислений, эффективности капвложений в металлургии .

Предложен аналитическо-численный метод расчета ВН, объединяющий аналитический метод расчета, разработанный И.Д.Семикиным и Э.М.Гольдфарбом с численным методом Э.М.Гольдфарба. Метод позволяет оценивать тепловые процессы как в отдельном кирпиче насадки, так и во всем ее объёме. В аналитической части расчета применены итерации по средней температуре дыма, покидающего насадку, а в численной - по смежным во времени температурным полям насадки. Из аналитической части расчета для численной используются: начальные и конечные значения коэффициентов теплоотдачи а, поверхности нагрева, общая высота насадки, начальное распределение температур насадки, расходы продуктов сгорания, дутья.

В численной части расчета тепломассообмена в насадке определяются в пространстве и во времени температурные поля

насадки, продуктов горения и дутья, что позволяет судить об эффективности работы ВН и получать желаемое распределение температур, выбрать огнеупоры для насадки, определять колебания температур на различных её горизонтах. Для решения задачи прогрева и охлаждения насадки она разбивалась на К слоев по высоте, а время - на ] интервалов. Температура насадки в 1-ом слое:

_ (2)

= йпе - ^пс -

Температура насадки в (к+1)-слое в момент времени П+1): *ср(К + □ + 1) = - 1, 3 - 1)о1 +

+ 1:ср(к - 3, : - Щ +- + 1, 3 - 1)у± '

Температура продуктов сгорания в 1-ом слое насадки

(3)

З) = ^^ [ьпс + АГЬср(1, з)

(4)

Температура продуктов сгорания в последующих слоях:

ЪПС(К + 2, з) = [Ьпс(К, з) + 2ДЕ^р(к + 2, ; (5)

а:ЕДх . аДт , аг (6) др = --- , д2 = -, т1 = 1 + —

т1спс^пс10 т1гРс ЗА,

г = = Дх=!м. = ®»пс; (7)

н к

:

2 2ДГ 2А2

а = 1--1- и = 1--; V = 1----

1 + ДБ + Д2 1 + ДГ + Д2 1 + ДЕ + дг

(8)

■Разработанный для ПЭВМ алгоритм расчета включает два модуля: "нагрев" и "охлаждение". Новым в численной части расчета является учет зависимости теплофизических свойств теплоносителей от температуры и расчет коэффициентов теплоотдачи в насадке на каждом шаге, итерация по смежным во времени температурным полям насадки до получения заданной точности. Расчет начинается при средних по высоте участков разбиения начальных значениях теплофизических свойств теплоносителей. Для каждого слоя рассчитывались параметры, входящие в конечные приращения критериев АР и времени Дй и сами- значения АГ и Дг.

Модуль охлаждения насадки рассчитывался аналогично. Для сокращения процедуры расчета температур проводили вычисления только для нечетных слоев насадки: К = 1,3,5,7,9,..., а счет

времени по четным интервалам: i = 2,4,6,8,..., определяя значения t1(2r t3(2f t5j2 и т.д., затем tli4, t3,4, t5l4 и т.д. Для этого разбивали высоту насадки на четное число слоев, например, 20, время - также на четное: длительности периодов "нагрева" и "дутья" - на 128 интервалов с целью повышения точности и устойчивости. Программирование выполнялось на ПЭВМ IBM PC/AT Pentium в операционной среде Excel-97+VBA. Результаты расчета выдавались в виде таблиц и графиков.

• Для повышения точности расчета ВН предложено использовать установленную связь между КИТ г|, КПД Г|пд,, пирометрическим коэффициентом Ппир и относительными тепловыми потерями

II ~

тепла через стены камеры, насадки Qn0T / Мобщ при C^M3«QfJ :

Лпир = 1 - (п - Т1пд - Qnot / мобщ) • О)

Пирометрический коэффициент определялся также из уравнения теплового баланса для камеры горения и подкупольного пространства:

Ппир = 1 " Опот / мобин (Ю)

I

где: Qn0T - тепловые потери из камеры горения и подкупольного пространства; Мо6щ - общая тепловая- мощность ВН; 0фИ3. - тепло нагрева газа и воздуха.

Действительная температура горения tH

np _ QflOT н R

tB = —--(11)

где: В - расход топлива, м3/с; Va - выход продуктов горения с

.1 м3 топлива; СдД - средняя теплоемкость продуктов горения.

Выли рассчитаны параметры тепловой работы ВН при следующих видах отопления: природно-доменной смесью (ПДС); кок-со-доменной смесью (КДС), смесью доменного газа с водородом (ДВС); доменногенераторной смесью (ДГС); доменным газом, сжигаемым в воздухе, обогащенном кислородом; подогретыми доменным газом и воздухом для достижения одинаковых температур под куполом и горячего дутья. В расчетах использованы абсолютные П± и относительные Потн значения параметров, отнесенные к соответствующим параметрам ПДС:

Пн

потн = (12)

%дс

Относительные затраты на отопление ПДС были приняты за единицу. Затраты на отопление ДГС оказались минимальными -0, 448, КДС - 0, 578 в связи с дешевизной-генераторного и коксового газов, подогретыми доменным газом и воздухом - 0,927, ДВС - 1,05, максимальные - доменным газом, сжигаемым в воздухе, обогащенном 02 - 1,18 (в связи с дороговизной технологического кислорода). Наименьший объём насадки, наиболее высокий КИТ получены в варианте отопления подогретыми газом и воздухом.

Разработан ряд перспективных конструкций ВН с использованием горячего дутья (ГД) в качестве части воздуха горения, защищенных авторскими свидетельствами.

В главе 3 рассмотрены вопросы повышения срока службы доменных ВН. Исследованы причины низкой стойкости кладки камеры горения с муллитокорундовыми огнеупорами МКВ-72. На базе обработки данных стойкости ВН отрасли по камерам горения межремонтный период их колеблется от 5,3 до 11,8 лет, а по насадкам - от 6,86 до 15 лет. Наилучшую стойкость имеют аппараты с вынесенной камерой горения [более 15 лет).

Основные факторы, снижающие стойкость ВН: несоответствие термомеханических свойств установленных огнеупоров фактическим условиям их службы; крип (ползучесть) огнеупоров, их усадка; неравномерный по периметру обогрев камеры горения при боковом расположении горелки.

На основе феноменологической теории Виртмана найдены значения показателя Виртмана п и энергии активации процесса ползучести Q для огнеупоров МКВ-72 двух огнеупорных заводов (СОЗ и 303). Получены выражения для расчета изменения скоро-

сти £ и деформации ползучести е с изменением температуры Т и нагрузки а.

Q Q

Б =

de Act1

dT 2л/т

n =

• е RT, е = Аапе RT-Vx , lg еа - lg е2

(13)

(14)

lg Cj - lg a2

При t = 14 00°C n = 0,442 (МКВ-72 C03) n = 0, 596 (MKB-72

Энергия активации

Q = R(ln EX - In e2) /

T2 Ti

При о = 0,3 Мпа получено QMKB = 618 КДж/моль (СОЗ),

имкв = 635 кдж/моль (303) .

При изменении только температуры

оГ 1 1ч

¿1 = еК 1 Т2 При превышении проектной температуры Т1 на 50°С

(и = 1350°С) ■ Б/ 8 = 3,93.

. При снижении нагрузки в опасной зоне на 10% скорость ползучести уменьшится на 6,1%:

Межремонтный период ВН по лимитирующему стойкость огне-упору при предельно допустимых [сг], [е], Тд:

[ТМР] =

0

{А[а]п • е НТ" }2

(17)

При равенстве деформаций 8 = [е], е т = [е] [т] цд)

\2

т = 4| 1£][Т]

Астпе-С/Кт

(19)

V

При одновременном сочетании различных разрушающих воздействий результирующий межремонтный период треэ при найденных частных временах службы т^, :

1/трез = 1/Ч (20)

Одним из предложенных способов повышения стойкости кладки камеры горения является двухстадийное сжигание газа. Рекомендовано два варианта повышения стойкости кладки камеры ■горения: первый со сжиганием в основной горелке газа с коэффициентом расхода воздуха п = 1,6-2,2, с температурой 1000-1200°С, с последующим вводом 1-10% высококалорийного газа через тангенциально расположенную выше штуцера ГД дополнительную горелку для получения проектной температуры под куполом. По второму варианту в основной горелке сжигают ДЦС' (КДС) с недожогом (п = 0,69-0,85), получая температуры 1100-1150°С, а в верхней части камеры горения дожигают первичные газы. Ядро горения перемещается в зону нагрузок сжатия, не превышающих допустимые. Количество образующихся ГЮХ также сокращается на 40-50%. Для аналогичных целей разработан ЕН с газодинамической защитой внутреннего оката камеры горения.

Рекомендованы устройства насадочных элементов из цилиндрических прутков с полукруглыми выемками, а также насадка без поднасадочного устройства, с пониженной засоряемостью каналов, с возможностью работы низа насадки при температурах 700-850°С.

Для повышения газоплотности кладки разработана конструкция жаростойкого теплоизолированного кессона, устанавливаемого между внутренним и наружным окатами внутренней камеры горения ВН.

Разработаны новые способы сушки и разогрева, согласно которым для снижения опасных напряжений растяжения в кожухе, подъема краев днища ВН, при достижении температуры под куполом 860-880°С, ВН в 3 этапа наполняют дутьем при росте заданной графиком разогрева температуры через каждые 4 0-60°С с регламентированными давлениями дутья и выдержками времени. Для повышения качества сушки и разогрева, газоплотности футеровки и её стойкости производят реверс продуктов сгорания, что вызывает выравнивание температур по высоте ВН и более равномерное проведение операции.

В главе 4 рассмотрены: тепловое загрязнение, производимое ВН, и мероприятия по их сокращению, для чего составлен тепловой баланс ВН и усовершенствована методика определения газоплотности его кладки; исследовано образование оксидов азота (Ы0Х} и углерода (СО и С02) , предложены мероприятия по их сокращению.

Тепловое загрязнение 3 окружающей среды при работе ВН численно равно относительным тепловым потерям V (V = 1 - т)пд)

3 = V. (21)

КИТ г) является не только результирующим показателем использования топлива в печах, но и обобщением тепловых выбросов. В КИТ тепловое загрязнение характеризуется членом Уд1уХ, а

( £ р йО

химическое загрязнение - Уд ■ -- , где - содер-

41 = 1

жание 1-го горючего компонента в дыме (СО, Н2 ...). Сокращение глобального выброса С02 (тепличного эффекта) достигается уменьшением расхода топлива (продуктов горения) и содержания С02 в дыме (применением топлива с большим содержанием Н2) .

Выполненный тепловой баланс ВН, отапливаемых доменным газом, показал, что потери тепла с уходящим дымом составляет 81,21%, через кладку - 18,03% (через купол - 3,01%, через цилиндрическую часть - 15,02%), потери тепла с вытесненным

дымом - 0,5%, с вентиляторным воздухом - и,'15%, с выпускаемым дутьем 0,11%- КПД ВН Г|пд = 78,97%, 3 = 21%. Тепловое загрязнение можно сократить, если утилизировать тепло дыма для подогрева компонентов горения.

Для достижения температур Ькуп = 1350°С, ^д = 1260°С при = 3,162 МДж/м3 необходимо подогреть доменный газ и воздух до 212°С. КИТ в этом варианте максимален и составил 0,92. Температура дыма после теплообменников 120°С, перед ними -330°С. Мощность отопления Мобщ минимальна 39,3 МВт против Моби = 42,05 МВт для вариантов отопления ПДС и КДС, т.е. сокращается в 1,07 раза, а по сравнению с отоплением ДВС, - в 1,065 раза (на 6,5%), с отоплением доменным газом, сжигаемым в воздухе с 30,8% 02 - в 1,069 раза, а по сравнению, с ДГС - в 1,062 раза (на 6,2%).

Для контроля газоплотносги кладки по кривым повышения давления в рабочем пространстве (2) и у кожуха (1) при наполнении ВН дутьем получено выражение для относительного износа И огнеупорной кладки:

Площадь петли ДБ, отнесенная к площади 32, характеризует износ футеровки. Исследования на ВН Косогорского завода показали, что через 4 месяца износ кладки в купольной части составил 1,01%, а в цилиндрической части - 1,55%. Данный способ контроля износа кладки позволяет вести непрерывный или периодический контроль её газоплотности и производить своевременную остановку ВН на ремонт.

Результаты экспериментальных и теоретических исследований по определению в отходящих газах ВН предприятий

Украины при пср = 1,1 показывают, что концентрации (С) Ы0Х -существенно различаются и зависят от условий теплообмена, коэффициента п, вида выплавляемого чугуна, температуры под куполом 1:куп. Наибольшая СКох. ~ в колошниковом газе печей,

выплавляющих ферромарганец, когда образуется максимум азотсодержащих соединений.

В связи с интеркристаллитным разрушением (ИКР) кожухов ВН под воздействием растягивающих напряжений в нем и агрессивной среды у кожуха выполнены замеры С^ох в пространстве кожух-кладка верхней части ВН, в дымовом патрубке в периоды

(22)

"нагрева", "дутья" и пауз, показывающие: в зазоре ко-

жух-кладка больше в 1,5-1,6 раза, чем в дымовом патрубке; СМОх существенно возрастает с увеличением температуры под

куполом (более, чем в 2 раза с ростом 1;КуП с 1400 до 1480°С) ; в период "нагрева" Смох в 1,4-1,5 выше, чем для периода

"охлаждения". Разработаны мероприятия по устранению ИКР.

Выводы.

В теоретической части работы разработаны:

- аналитическо-численный метод расчета тепломассообмен-ных процессов в ВН, объединяющий преимущества аналитического и численного методов. В аналитической части использован метод последовательного приближения конечной температуры дыма. В численной части учтена зависимость теплофизических свойств теплоносителей от температуры и значения коэффициентов теплоотдачи на каждом шаге расчета. В этой части использованы из аналитической значения поверхности нагрева, коэффициентов теплоотдачи с их привязкой к высоте насацки, расходы теплоносителей. Использование разработанной методики позволяет судить об эффективность работы ВН.

Проанализирована с использованием экономико-экологического критерия эффективность различных вариантов эксплуатации ВН. Установлена связь между КИТ, КПД, тепловыми потерями и пирометрическим коэффициентом горения в ВН, повышающая точность расчета параметров их работы.

На основе феноменологической теории ползучести Виртмана найдены параметры для огнеупоров МКВ-72 производства двух огнеупорных заводов. Получены выражения: для расчета изменения скорости ползучести от изменения температуры, нагрузки; для времени службы огнеупора, стойкость которого лимитирует срок службы ВН при различных температурах, нагрузках и деформациях .

Получено выражение для оценки газоплотности кладки ВН в зависимости от параметров, описывающих гидродинамические процессы у кожуха и в рабочем пространстве ВН при наполнении их дутьем.

Экспериментально исследованы:

- определена температура дутья, выпускаемого из ВН ДП-1 Енакиевского завода, необходимая для нахождения потерь тепла с выпускаемым дутьем;

- сняты кривые изменения давления при наполнении ВН в пространстве кожух-кладка и в рабочем пространстве для определения газоплотности его кладки;

- определены температуры кожуха куполов ВН до и после установки разработанных купольных экранов;

- получены зависимости содержания N0X в отходящем дыме ВН от вида доменного газа, полученного при выплавке передельного, литейного чугуна и ферромарганца и характер изменения N0X в зависимости от периодов работы ВН и температуры под куполом.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих научных работах:

1. Грес Л.П., Малый В.В., Флейшман Ю.М. Абросимов Н.И. За-харченко В.Н., Волкова М.М. Повышение долговечности камер горения доменных воздухонагревателей// Металлургическая и горнорудная промышленность. - 1999. - № 2-3. - С. 8-12.2. Грес Л.П., Малый В.В., Флейшман Ю.М. Абросимов Н.И., За-харченко В.Н., Жариков А.Н. Современное состояние и пути повышения эффективности нагрева доменного дутья. //Металлургическая и горнорудная промышленность. 1399. - Е' 4. - С. 19-23. 3. Грес Л.П., Малый В.В., Флейшман Ю.М. Исследования стойкости огнеупоров в доменных воздухонагревателях. //Теория и практика металлургии. - 1999. - № 1. - С. 36-39. 4 . .Грес Л.П., Малый В.В., Флейшман Ю.М. Исследования образования оксидов азота в доменных воздухонагревателях. //Теория и практика металлургии. - 1998. - № 4. - С. 2023.

5. Грес Л.П., Малый В.В., Абросимов Н.И., Краплина Т.М., Флейшман Ю.М. Исследования особенностей тепловой работы воздухонагревателей в современных условиях. //Металлургическая теплотехника. Сборник научных трудов Государственной металлургической академии Украины (Энергетика. Металлургия), т. 1, Днепропетровск. - 1999. - С. 102104.

6. Грес Л.П., Малый В.В., Захарченко В.Н. Флейшман Ю.М. Со-

вершенствование конструкций доменных воздухонагревателей и технологии нагрева дутья. //Металлургическая теплотехника. Сборник научных трудов Государственной металлургической академии Украины (Энергетика - металлургия). Т. 1, Днепропетровск. - 1999. - С. 97-101.

7. Грес Л.П., Малый В.В., Абросимов Н.И. Захарченко В.Н., Жариков А.Н., Флейшман Ю.М. Анализ причин снижения температуры горячего дутья и перспективы её повышения на метпредприятиях Украины. //Труды международного конгрес-

са доменщиков "Производство чугуна на рубеже столетий". Днепропетровск-Кривой Рог, 7-12 июня 1999. Пороги. - С. 357-361.

8. Грес Л.П., Малый В.В., Быков Л.В. Зотов A.B., Флейшман Ю.М. Обеспечение проектных температур эксплуатации доменных воздухонагревателей при отоплении одним доменным газом. //Труды международного конгресса доменщиков "Производство чугуна на рубеже столетий". Днепропетровск-Кривой Рог, 7-12 июня 1990. Пороги. - С. 354-357.

9. A.c. 1125253 СССР, МКИ С21В 9/00. Воздухонагреватель доменной печи / В.В.Малый, А.Д-Ткаченко, Ж.И.Маньков-ский, И.И.Дышлевич, А.Я.Губаренко (СССР), - № 3585278/22-02; Заявлено 27.04.83; Опубл. 23.11.84, Бюлл. №43.- 4с.

10. A.c. 1232686 СССР. МКИ С21В 9/00. Воздухонагреватель доменной печи /В.В.Малый,- А. Д.Ткаченко, В.Л.Тищенко O.A.Выбиванец, И.И.Дышлевич, А.Я.Губаренко (СССР). - № 38224739/22-02; Заявлено 17.12.84; Опубл. 23.05.86, Бюлл. № 19. - 2 с.

11. A.c. 635695 СССР, МКИ С21В 9/04. Воздухонагреватель доменной печи /А.Н.Жариков, М.Г.-В.Кутнер, Н.Н.Подкантор, В.В.Малый, Ж.И.Маньковский, В.Ф.Иванов, В.Л.Тищенко, В.И.Солодков, Н.М.Бабушкин, Я.П.Калугин. (СССР). - № 2605151/22-02; Заявлено 12.04.78; Опубл. 15.09.79, Бюлл. В' 34. - 3 с.

12. A.c. 834139 СССР. МКИ С21В 9/ООСпособ разогрева доменного воздухонагревателя /Э.М.Гольдфарб, Л.П.Грес, Б.Б.Потапов Ю. М.Флейшман, Е.А.Рослик, В.В.Лебедев, В.В.Малый, С.М.Родов, А.Е.Любин, И.Б.Владимирский, Е.А.Царицын, Ю.З.Ратнер, В.А.Чернышев, В.П.Богодица, И.М.Пефтиев, В.Н.Никифоров, А.Н.Жариков (СССР). - № 2758067/22-02; Заявлено 26.04.79; Опубл. 30.05.81, Бюлл. № 20. - 3 с.

13. A.c. 775131 СССР, МКИ С21В 9/00. Воздухонагреватель доменной печи. /Э.М.Гольдфарб, Л.П.Грес, В.В.Лебедев, В.В.Малый, А.Н.Жариков, В.В.Диденко, А.Л.Сокольвак, Л.П.Николаева (СССР). - № 2717505/22-02; Заявлено 22.01.79; Опубл. 30.10.80, Бюлл. № 40. - 2 с.

14. A.c. 589257 СССР, МКИ С21В 9/00. Воздухонагреватель доменной печи. /М.Г.-Б.Кутнер, Н.Н.Подкантор, И.А.Брит-вин, В.Г.Заболотный, . А.Д.Ткаченко, А.Н.Жариков,

A.Л.Крейндель, А.Е.Любин, Я.М.Беленький, А.М.Робустов,

B.В.Малый, В.А.Шатлов, С.Д.Тюленев (СССР). - №

21У4446/22-02; Завлено 01.12.75; Опубл. 25.01.78, Бюлл. № 3. - 2 с.

15 A.c. 840125 СССР, МКИ С21В 9/00. Камера горения воздухонагревателя доменной печи. /М.Г.-Б.Кутнер, Н.Н.Подкантор, А.Н.Жариков, И.А.Бритвин, А.С.Гусаров, В.Н.Никифоров, В.В.Малый, Э.М.Гольдфарб, Л.П.Грес, В.В.Лебедев, Ю.М.Флейшман, Ф.Р.Шкляр, Я.П.Калугин, В.Н.Денисенко, В.Ф.Белошапка (СССР). - № 2814780/22-02; Заявлено 5.09.79; Опубл. 23.06.81, Бюлл. № 23. - 3 с.

16. A.c. 1065479 СССР, МКИ С21В 9/02. Воздухонагреватель доменной печи /М.Г.-Б.Кутнер, Н.Н.Подкантор, А.Д.Тка-ченко, В.Б.Малый, Ж.И.Маньковский, А.Я.Мошкарёв (СССР). - № 3489347/22-02; Заявлено 13.09.98; Опубл. 7.01.84, Бюлл№ 1. - 4 с.

17. A.c. 933717 СССР, МКИ С21В 9/00. Способ сжигания газа в воздухонагревателях доменных печей /М.Г.-Б.Кутнер, Н.Н.Подкантор, А.Н.Жариков, И.А.Бритвин, А.С.Гусаров, В.Н.Никифоров, В.В.Малый, Э.М.Гольдфарб, Л.П.Грес, В.В.Лебедев, Ю.М.Флейшман, Ф.Р.Шкляр, Я.П.Калугин, В.Н.Денисенко, В.Ф.Белошапка (СССР). - № 2814781/22-02; Заявлено 06.09.79; Опубл. 07.06.82, Бюлл. № 21. - 4 с.

18. A.c. 916544 СССР, МКИ С21В 9/00.,Способ нагрева высокотемпературного воздухонагревателя /М.Г.-Б.Кутнер, Н.Н.Подкантор, А.Н.Жариков, И.А.Бритвин, А.С.Гусаров, В.Н.Никифоров, В.В.Малый, Э.М.Гольдфарб, Л.П.Грес, Ю.М.Флейшман, Ф.Р.Шкляр, Я.П.Калугин, В.Н.Денисенко, В.Ф.Белошапка (СССР). - № 2974162/22-02; Заявлено 19.08.80; Опубл. 30.03.82, Бюлл. № 12. - 4 с.

19. A.c. 1167202 СССР, МКИ С21В 9/00. Воздухонагреватель доменной печи /В.В.Малый, А.Д.Ткаченко, В.Л.Тищенко, Ж. И.Маньковский, И.И.Дышлевич, А.Я.Губаренко (СССР). - № 3585276/22-02; Заявлено 27.04.83; Опубл. 15.07.85, Бюлл. № 26. - 5 с.

Анотац1я

Малий В.В. "Удосконалення енерго-, ресурсо- та природо-збер1гаючо1 технолог!! нагргву дуття у повл.тронагр1вачах до-менних печей". Дисертац1я на здобуття наукового ступеню кандидата техн1чних наук за спец1альн1стю 05.16.02 "Металург1я чорних метал1в". Национальна металург1йна академ1я Укра!ни М1носв1ти i науки УкраИни. Днд.пропетровськ, 2000.

Захищаються результати теоретичних та експериментальних дослл.джень енерго-, ресурсо- та природозбер1гаючо! технологи одержання награтого дуття для доменних печей, результати

модернизации елемент1в пов!тронагр1вач1в (ПН), засоб±в та пристро1в сушання та рсз1гр1ву тощо з метою п1двищення

ефективност1 теплово! роботи ПН. Запропонован1 анал1тично-чисельний метод розрахунку ПН, удосконалена феноменолог!чна теор1я повзучост1 В1ртмана стосовно до служби вогнетрив1в. Результати досло-джень впроваджен1 у виробництво на ПН домен-них печей металургл_йних п1дприемств Украгни. Одержан! еконо-м1чн1 ефекти.

Ключовд. слова: доменна п1чь, повл.тронагр1вач, награте дуття, енерго-, ресурсо- та природозбер1гаюча техцолог1я, кокс, ст1йкд.сть, ефективн1сть, модерн1зац1я, аналл.тично-чисельний метод, вогнетриви, забруднення, викиди.

Аннотация

Малый В.В. "Совершенствование энерго-, ресурсо- и природосберегающей технологии нагрева дутья в воздухонагревателях доменных печей". Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.02 "Металлургия черных металлов". Национальная металлургическая академия Украины Министерства образования и науки Украины. Днепропетровск, 2000.

Защищаются результаты теоретических и экспериментальных исследований энерго-, ресурсо- и природосберегающей технологии получения горячего дутья для доменных печей, результаты модернизации воздухонагревателей (ВН) и их элементов, способов и устройств сушки и разогрева и эксплуатации ВН, с целью повышения эффективности их работы.

Предложены:

- аналитическо-численный метод расчета тепломассообмен-ных процессов в1 ВН и температурных полей насадки (неподвижного теплоносителя), дутья и продуктов сгорания (движущихся теплоносителей), позволяющий с достаточной точностью рассчитывать температурные поля теплоносителей, основные параметры тепловой работы ВН, что может быть использовано при выборе распределения огнеупоров по высоте ВН, при определении условий образования флюсующей пробки в насадке, при анализе условий работы динаса и др. огнеупоров, при анализе условий получения максимальной температуры горячего дутья, минимума расхода огнеупоров на сооружение ВН и др.;

- новые варианты отопления ВН с использованием доменно-водородной, доменно-генераторной смесями и др. Получены новые результаты при исследовании различных способов отопления ВН с использованием целевой функции, представляющей собой

сумму текущих, капитальных, амортизационных затрат, а также сумму штрафов за загрязнение окружающей среды;

- усовершенствованная методика расчета пирометрического коэффициента через КИГ, КПД и тепловые потери, позволяющая повысить точность теплового расчета ВН;

результаты разработок усовершенствованной знерго-, ресурсо- и природосберегающей технологии нагрева дутья, в т.ч.: новых конструкций ВН и их элементов, позволяющих увеличить эффективность работы ВН, способы и устройства по снижению вредных выбросов в окружающую среду при нагреве дутья; новые способы и устройства сушки и разогрева ВН, позволяющие увеличить межремонтный период работы ВН;

- усовершенствованная методика определения газоплотности огнеупорной кладки в процессе эксплуатации ВН;

- усовершенствованная феноменологическая теория ползучести Виртмана применительно к муллитокорундовым огнеупорам МКВ-72 для исследования стойкости и долговечности ВН.

Результаты исследований внедрены в производство на ВН доменных печей металлургических предприятий Украины, использованы в проектах УкрГипромеза. Получены экономические эффекты.

В работе получены научно обоснованные теоретические и экспериментальные результаты, которые в совокупности являются существенными для дальнейшего развития доменного производства в направлении ресурсо- и энергосбережения, снижения вредных выбросов в окружающую среду.

Ключевые слова: доменная печь, воздухонагреватель, горячее дутье, энерго-, ресурсо- и природосберегающая технология, кокс, стойкость, эффективность, модернизация, аналити-ческо-гчисленный метод, огнеупоры, загрязнение, выбросы.

Annotation

Malyi V.V. "Perfection of energy- resources economy and nature- protection technology for hot blowing heating in blast furnace stoves". The thesis on competition of a degree of the candidate of engineering science. Speciality 05.16.02 "Ferrous metallurgy". National metallurgical academy of Ukraine. Dnepropetrovsk, 2000.

The object of the thesis is to maintain the results of theoretical and experimental investigations concerning the energy-resources economy and nature-protection technology of obtaining hot blowing for the blast furnaces. The results of modernization of stoves parts, methods and devices for their drying and heating aimed to raise the efficiency of stoves

thermal work are also maintained. Analytic-numerical method of stoves calculation is suggested.

Phemenolcgical theory of creeping by Virtman in com-formity with the life of refrectories was improved. The investigation results were introduced into production at the stoves of the blast furnaces (metallurgical enterprises, Ukraine). As a result the economic effects have been oh-tained.

Key words: blast furnace, stoves, hot blast, energy-resources economy and nature protection technology, coke, durability, efficiency, modernization, analytic-numerical method, refrectories, polution, emissions.