/
Текст
:-'.ji;\lc ;';'1'f. /I" . / .. ,lj)J , .-.,
', i ')i..'., .["." ' А ,'" <' ", }.' I \ \,,' . 1 -1'
. 1 ' '., '1": , . } ) ,1- l' " 1 ]
J 1')' ,.1'.10 _ J'.) J}J {. "i
?/ j1! ,,' ;1.,' ")tI _ ,......:1i:
, . ;/ ,...-' {; (.' I : I i...... .
t, J,/ ;'Л l' ,, . »:./ r {/., , '.и,,' I
'. ';. /"- '}J... ': ! ' I., ,/r )I
...,.' ,. i'; t ;ot 1,
f. ' " 1.. 1,1 .,'1"' 1 " I . 1" о
' ., - . /
. t j t ,:;' . .........,
. J ц.' >." )-/;' .
> \' " I_,.., " .!. "'.
.:.1";18 tl. J '" . . ..
"1 Ji . . " , ,'\( , I . 1:) ,
( ".'i ,', ,';
..) о' ''; I
',1. .:{i.....".
" ,,'
1"./ . t,l"t f .
, I .i "
\, . ,., 1 (". 1
< .
'(
" J '" { '"
J... I i
" 1
., 1'"
L':',
"
(.
1,
,
1 ,0/-
..
,.i';'
"
...
./.
'-1' , 1' .'
{. ,.','
,
.
.,\{
\ '.
.,'
')/-,
1,1" :
11'-
,.';
II
I .! I .
, . " I ,.
.' i ;;rr..
o..i.-... ."
<
Jlf ,
, , ,.
..' '1';'
'f )у" i,
i' ,.
I .
J
I '6
j.
,1-
'l t {, . 0':.; ": ... ..,...1., .111 1.,;
:.1 1 J"J'/' " ;' r""''''I'r:J
,;.'.'-1'" ..- -
""1,1.,1 1""
".,1. /1>(.%' (J
.. ". .l? / 104
01 f " .w.
l' . '/k.{"
'
,
("..(
: .
,V'
. 'i*
.?i (. } .,
}'11 I
" ,';'-,
,',
., ,
'\: I 1\
"
,
,...-1...
"
,
, "
'Е, ( 'I
"1." ,1
. !j;/ 1. \,
(,} ':I .J
"
l'it...
,"1
'..,":':'
l'
.,
""
I .:'.II
" ,
',1
," I
}
"0
, .}.
.' ,
'"
"jl/'
.. ,
.;1 Jt)
.
;.,/
..
1".."
".} 1
о,'
'!
".1
J
./
',' i{
,,\
:',
t,'.
,:"
" I
f' \
1 "(1.
" '
,',
",,','
',.
"
,.
.
, '
;\
',1
. . .1 . .}
"
1/
....п
I
I
'..
",
,
i
. .
I
".
1..- -I ,
t,,';,.I, (r.;:,1
;J r J ... f': ' .J" l' I
.) 1 :II./ J
1 '
,11
'i, }
\
t " 1
I 'j':j
J.'».':.
I 1
'..'Н;
.' .
',,( .
','..': l
''7\_.fj i' "
i... ; :
{ .
.
" I
." ,'
, "
.. . .... J ': '
./.t' l' ..'
" ,
..t. {, ,
\
,
.! . ;t"
ч
{.
\.
1,
. .
.'
/f)
1 ' " А
:.1 6' I
I
} I',, J \ ',_J
1.,
J:
,
,J..
.. I
f.{ ...1.J;r::i'
-, 1.
: ,
."
1.
l'
'\
., .
i'j
,
\,
,
.' ;
, I
.'
': ,.... 81.
. I 1/
. . r
..
'.
\'" I
\
( "
..'
/.
. '.
, .
,
,. "
:','
,
. .
. -/ : ij 1 f
.1'-,,1,11
.
..,(
...........
"
.
)
.:, . .
"
.,
" .
1....
J'
,t.
'1.,'"
,1
J}
.1.
" I
; j
, ,
'. i
.
, ."
"
,"
lIii
f
"
.'
..' '.
::.
):.:.,
'j
'.
!4 .
:./,1,
. "i:' "
> '
.. .
Теплотехника
AOMeHHoro процесса
Под' обще.. редакцией 5. и. КИТАЕВА и ю. r. ЯРОШЕНКО
( .
.
МОСКВА ((МЕТ Аппурrия» 1978
удк 669.162.263: 66.015 : 669.094.1/2
5. и. КИТАЕВ, ю. r. ЯРОШЕНКО, Е. л. СУХАНОВ, "
ю. Н. ОВЧИННИКОВ, В. с. ШВЫДКИА
Ре ц е н з е н т докт. техн. наук Ю. С. ЮСфU1l
удк 669.162.263: 66.015.559.094.1/2
Теплотехника доменноrо цроцесса. К и т а е в.. В" И., Я р о -
шенко IQ. r.,. Суханов Е..Л.., ОВ .и.fIНИКОВ Ю. Н.,
Швы Д к и Й. В.. С. М., «Металлу'Р И » . 1978,, ,48- с.
Книrа посвящена той части теории доменноrо процесса, KOTO
рую в наше время называют теплофизикой. Рассмотрены зако
номерности ,теплообмена в,. .ста,.ционарны'х и нестациона рных усло
виях для д :щжущ rося <;JЩЯ;.,:в.осстановительны:х; процессов и rид
родинамических явлений в противотоке' и, в частности, в уело.
виях доменной печи.
Приведены результаты'экспериментальных исследований' тел.
лообмена как в лабораторных условиях, так и в действующих
доменных печ?х. Описаны условия применения BbIcoKoHarpeToro
дутья, нжекции или комбинированноrо дутья, методы ero pac
чета, оценки те ловоrо со<;тояния доменной печи и управления им.
Книrа предназначена': для научных работников, технолоrов.
доменщиков и теплотехников.печников, работающих в различных
отраслях промышленности. Может быть полезна студентам метал.
лурrических, химических и энерrетических вузов. Ил. 99. Табл. 12.
Библ. список: 181 назв.' .
@ Издательство «Металлурrия», 1978
31011 176
Т 040(OI) 78 Б3 t9 20 1978
ПРЕДИСЛОВИЕ
Технический проrресс в области подrотовки сырья, применения
инжекции различных видов топлива через фурмы, обоrащения
дутья кислородом создал блаrоприятные условия для ведения
доменноrо процесса и потребовал совершенствования не толь о
v v
методов ведения плавки, но И' конiструкции доменных печен,
в частности их профиля.
В последнее время предприняты попытки развития теории дo
MeHHoro процесс а, отражающие происшедшие изменения. В HO
вых работах отмечается тенденция комплексноrо исследования
Bcero мноrообразия явлений, связанных с преобразованием cы
рых материалов в чуrун и шлак.
. На долю советских ученых и исследователей выпала блаrо ,
родная миссия открыть новую страницу в изучении теплофизики
доменноrо. процесса. В свое время БЬ1ЛИ проведены известны
всему миру исследования акад. М. А. Павлова, проф. А. Н. По '
хвиснева, проф. А. д. rотлиба об использовании ropHoBbIX rазов
в доменных печах. По этому вопросу были высказаны мноrочи-
сленные rипотезы А. с. Саракисянцем, и. А. Соколовым, Е. Дип
шляrом. Вместе с интереснейшими исследованиямц зарубежных
ученых с. с. Фурнаса, п. А. Юнrа, о. Саундерса и r. Форда по
теплообмену в плотном слое эти работы создали ту атмосферу,
в которой должен был прозвучать заключительный аккорд
в создании теори , отражающей развитие тепло-массообменных
..
явлении в доменных печах.
Можно считать, что таким аккордом и явил ась та новая
страница в развитии теплофизики доменноrо процесса, которая
была открыта в Уральском политехническом институте (УПИ)
им. с. М. Кирова в 1939 r. и позднее, коrда удалось уловить ти-
пичное в температурных ПОJ}ЯХ шахтных (в том числе и ДOMeH
ных) .печей' и сформулировать это типичное в схемах и матема..
тическом описании, охватывающем расчет HarpeBa в прот во
токе не только термически тонких, но и массивных тел с уче-
том тепловых эффектов важнейщих Физико химических процес-
сов. В результате этоrо появились возможности уточнения опти
малр оrо профиля и испо ьзования мноrочисленных данных по
тер одинамике и кинетике восстановительных процессов, KO
торые до этоrо невозможно было эффективно применять, так
как температурные поля в печах не рассчитывали и не проrно
зироваЛИ6
. Теория теплообмена в доменных печах появилась, таким
образом, как давно ожидаемое, недостающее звено в общей
.. .
теории печен и вдохнула новую жизнь в термодинамику и кине
тику металлурrических процессов.
1*
3
,
Ясная СХеМа формирования температурных полей позволила
. установить два новых понятия холостая высота и оптималь
ная высота6 Размеры этих высот стали рабочим инструментом
в практических приложениях. Первыми заметными результа
тами на практике были снижение высоты слоя при rазификации
бурых уrлей и торфа, вследствие чеrо была YДBo н-a производи
тельность, и обнаружение резервов интенсификации доменных
печеЙ6 Теория значительно повлияла на выбор профиля ДOMeH
ных печей, на то, что практически объем доменных печей увели
чился за счет поперечных размеров, а не высоты. Известны слу
чаи, к<?rда высота доменных печей с ростом их объема даже
уменьшал ась.
За последнее десятилетие самым значительным событием
было обоrащение теории «чистоrо» теплообмена комплексными
работами, в которых рассмотрение закономерностей процессов
теплообмена дополнено и увязано с закономерностями процес
сов массообмена, rазо rидродинамики и технолоrическими oco
бенностями доменной плавки.
В этом направлении значителен вклад исследователей, PYKO
водимых акад. з. И. Некрасовым (Институт черной металлурrии
МЧМ СССР), проф. А. Н6 Похвисневым (Московский институт
стали и сплавов), проф. М. А. Стефановичем и проф. Н. Н. Ба
барыкиным (Маrнитоrорский rорно металлурrический ин.сти
тут), проф. А. Д6 rотлибом и цроф. В. А. Воловиком (Днепро
петровсклй металлурrическцй институт).
В том же направлении с приложением результатов к суrубо
специфическим технолоrическим задачам (выплавка ванадие
Boro чуr.уна, инжекция топлива, дренаж ropHa)' проводит работы
лаборатория Института металлурrии Уральскоrо научноrо,
центра (УНЦ) АН СССР, руководимая проф. С. В. Шавриным.
В разработке математической модели доменноrо процесса,
основанной на з ономерностях тепло и м,ассообмена, а также
rазо:' и rидродинамики, больших успехов добились во Всесоюз
u
ном научно исследовательском институте металлурrическои теп
лотехники (ВНИИМТ) блаrодар'я исследованиям Б. А. Боко
викова, Ф. Р. Шкляра, Н. М. Бабушкина6
Развитие исследований показало, что теория теплообмена
в шахтных печах представляет собой комплексную'; проблему
широкоrо инженерноrо плана. Она приложима не только к дo
менному процессу, но и к процессам аrломерации, бескоксовой
металлурrии, rазификации, химической технолоrии.
Материалы, с которыми читатель познакомится в этой книrе,.
являются ИТоrом, по крайней мере, 30 летнеrо труда большоrо
числа научных работников и заводских исследователей. Только
блаrодаря коллективному труду исследователей Нижнетаrиль
CKoro металлурrическоrо комбината (НТМК), Маrнитоrорскоrо
металлурrическоrо комбината (ММК), комбината им. А. К. Ce
рова, ИЧМ МЧМ СССР (r. Днепропетровск), кафедры метал
4
лурrических печей Уральскоrо политехническоrо института
. .им. С. М. I(ирова (УПИ), ВНИИМТа, ИМета УНЦ АН .СССР,
Уральскоrо НИИ черной металлурrии (УНИИЧМ) удалось
рреодолеть барьеры от теории к практике и получить резуль
таты, служащие делу техническоrо проrресса.
Мировая литература .свидетельствует, что вопросы тепло
обмена в доменных печах уже встали в один ряд с вопросами
восстановления, движения rазов и ,друrими, составляющими
общую теорию ДОМенноrо процесса, и' участие советских ученых
и исследователей в разработке этой проблемы оценено ДOCTa
точно высоко.
Мировая Qбщественность признала теорию теплообмена
св шахтных печах 'на 111 Международном KOHrpecce по 'метал
лурrии в Люксембурrе (1962 r.), rде был заслушан и одоб
рен доклад Б. и. Китаева, ю. r. Ярошенко, Б. л. .Лазарева
,«Современное. состояние теории теплообмена в доменных
печах». О широком признании также свидетельствуют перевод
проф. п. Юнrом и издание в Лондоне (1967 r.) книrи «Теплообмен
в шахтных печах», а также изложение вопросов теории в книrе
«Blast Furnace Theory and Practice» {181]. _
Развитие теории теплообмена на кафедре металлурrических
,печей УПИ привело к новому алторитму управления тепловым
СОСТОЯI:Iием доменной печи. Работы этоrо напр авления были
представлены советскими учеными на 'международных KOHrpec
сах IFAC в Варшаве "(1'969) и IТариже, (1972 r.) 6 .
Созданию этой книrи' способствовали мноrочисленные за
просы со стороны практиков, :. ' 'связанных 'с технолоrическим
u' v . v
процессом доменнои плавки и с автоматизациеи 'доменных печен.
- Знание закономерностей тепло и массообмена в слое для Teo
рии доменноrо процесса позволяет анализировать и, что самое
r лавное, проrнозировать температурны,е поля. Блаrодаря этому
удается в полной мере использовать боrатейшие данные хими
u u
ческои термодинамики, химическои кинетики, которые дают KOH
станты равновесия в функции температуры, и рассчитывать
процессы восстановления, учитывая при этом профиль печи.
Эта тенденция отражена в создании математических моделей
различных сторон доменноrо ,процесса. Их реализация с по
мощью ЭВМ от'крыла неоrраниченные возможности в анализе
u U
И проrнозировании развития явлении доменнои плавки.
По теории теплообмена в доменной печи авторы уже опубли
кОвали несколько книr, однако в предлаrаемой моноrрафии
содержание этих книr не повторяется, а также развивается.
Особенностью описанных в книrе результатов исследований
является rлубокая взаимосвязь теплообмена с химической кине
u u u
тикои, теплопоrлощении и тепловыделении с температурными
полями. Эти обстоятельства налаrают на предлаrаемую книrу
u u u
определенныи отпечаток читатель не всеrда наидет в неи
всю сумму доказательств (иноrда ему придется обращаться
l
5
к книrам «Теплообмен в доменной печи» [89], «Тепло массообмен
в плотном слое» [70]), зато он УВИДИТ свежую информацию,
новые результаты исследований, как бы новые очерки по одному
из разделов теории доменноrо процесса.
Авторы выражают rлубокую признательность всем орrани
зациям, которые были ранее упомянуты, коллективу кафедры
«Металлурrические печи» УПИ им. С. М. Кирова, коллективам
отдела тепло массообмена и лаборатории теплотехники ДOMeH
Horo производства ВНИИМТа, а также товарищам по работе
Н. М. Бабушкину, Б. А. Боковикову, В. С. Новикову, Н. М. Крю
кову, А. С. Кукаркину, Л. А. Сульману, с. В. Шаврину,
Ф. Р. Шкляру.
. Особенно следует подчеркнуть большую роль Б. А. Лазарева
в постановке и исследовании затронутых'в книrе вопросов.
Большую помощь в работе над книrой, а также проведении
v
новых исследовании, материалы которых представлены в книrе,
нам оказали ученики авторов молодые ученые В. Б. Щербат
ский, Я. м. rордон, с. А. 3аrайнов, А. Ф. Мысик, Н. А. Спирин,
Б. М. Шавельзон. Авторы приносят им свою сердечную блаrо
даРНОСТЬ6
Авторам представляется, что выход в свет этой книrи будет
своевременным и полезным как для обмена опытом, так и для
р сширения исследований в:' области теплотехники домеНН,оrо
процесса. .
Все критические замечания авторами будут рассмотрены
с должным вниманием. Корреспонденции по этому поводу про
сим направлять ПО адресу: 620002, r. Свердловск, Уральский
..
политехническии институт.
ОСНОВНЫЕ О&ОЗНАЧЕНИЯ,
ПРИНЯТЫЕ в КНИ[Е
. .'
I '
Bi==
символы
В К масса кокса, содержащая l' Kr уrлерода;
с( R
F число Био;
л ., ,
Ci массовая теплоемкость; :' ;',' .
С i объемные теплоемкости, концентрации;
С пр приведенный коэффициент излучения;
di диаметр; !,"! ,; I ( ,
Pe 2 количество железа, которое может быть восстановлено BOДO
родом вдуваемоrо топлива, Kr/Kr (м 3 ) топлива;
Реёо количество железа, которое может быть восстановлено окисью
уrлерода, образующейся из уrлерода вдуваемоrо топлива,
Kr/Kr (м 3 ) топлива;
Fеч количество железа в чуrуне, Kr/T чуrуна;
Рем количество железа, вносимоrо металло.tr.об вками, Kr/T чуrуна;
Fe d количество железа, восстанавливаемоrо прямым путем, K /T
чуrуна; : , ; ./
Ресо количество железа, БосстанавливаемOI'О оки;сью у лерода, об,а
зующейся в результате rорения кокса на фурмах и прямоrо
восстановления, Kr/T чуrуна; . ,,: ,: \ ' ,
Pe 2 количество железа, восстанавл ваемоrо вор.ородом, образую
щимся из влаrи дутья, Kr/T чуrуна;
Ро == ат./ Я2 ==
'== ау / R 2 W M безразмерное время;
G i массовый расход потока;
Н о полная высота слоя;
k коэффициент теплопередачи; ,
т == W м! W r отношение теплоемкостей потоков; .
т'::: 1 + Bi . r коэффициент массивности кусков слоя;
п количество вдуваемоrо топлива на 1 Kr экономии кокса;
р давление;
р производительность доменной печи;
qi истЬчники (стоки) тепла или массы;
qd затрать! тепла на ПРЯМQе восстановление;
Q количество тепла; i
r безразмерное термическое сопротивление кусков слоя;
R радиус куска;
Яе ==wrd/'Jt число Рейнольдса;
S площадь поперечноrо сечения шахты печи;
t o температура rаза на rранице между тепловыми зонами;
t, т температуры; ,
т х теплов.ая характеристика топлива;
v . скорость потока;
V объемный расход потока;
W скорость потока;
W теплоемкость потока;
у координата по высоте 'слоя;
у == avy/m' CrPrWr безразмерная высота слоя;
7
z === CXv't б
т'смрм (1 E) (l wM/wr) езразмерное вр
а коэффициент теплоотдачи;
коэффициент массоотдачи;
s порозность слоя;
&:п просветность слоя;
' / ' ,
&; === ti t i t r t i безразмерная температура;
л коэффициент теплопроводности;
f.L коэффициент вязкости;
v коэффициент КИJlематической вязкости;
р плотность;
. 't время;
ер доля материала' в единице объема слоя;
(J) поверхность материала.
ИНДЕКСЫ
а ar ломерат;
в воздух;
вл влажность;
r rаз;
r. r. rорновой rаз;
- Д дутье;
d прямое восстановление;
3 заданный;
К. r. колошниковый rаз;
л лучистый теплообмен; .
,материал; .
, I ..
нач начальныи;
,п поверхность;
р рудная часть;
Ф фурма;
Ц центр;
ш шихта;
шл шлак;
F поверхность;
V объем;
сумма;
О начальные условия;
1 l.й материал или l я р акция;
2 2 й материал или 2 я реакция;
, '(штрих) параметрыI вц входе потока в слой;
(два штриха) параметры на выходе потока из слоя.
о'
Раздел первый
атематическое описание
AOMeHHoro процесса
rпaB8 I
ПРОЦЕССЫ ДВИЖЕНИЯ rАЗОВ и МАТЕРИАЛОВ
о
,
На современном этапе развития теории доменноrо процесса
одной из rлавных проблем является максимальное использо-
вание объема печей, восстановительной способности rазов и,
в конечном счете, достижение максимальной производитель-
u
ности доменноя печи и минимальноrо расхода кокса.
С'.точки зрения этой проблемы исключительно большое зна-
чение в математическом описании доменноrо процесса имеют
вопросы движения шихтовых материалов и rазов. Это объяс-
няется тем, что скорости движения rазов не только определяют
характеристики интенсивности протекания процессов тепло- и
массопереноса (коэффициенты теплообмена а, м.ассообмена f3
и т. д.); компоненты скорости движения материалов и rазов
входят сомножителями в уравнения тепло- и массообмена.
Таким образом, расход rаза-восстановителя, который можно
ввести в печь, и ,характер ero распределения, -н объеме слоя
(неравномерность распределения) непосредственно влияют на
закономерности формирования температурноrо поля в доменной
печи и использование восстановительноrо потенциала rЗЗОВ6
;
; '.
1. ОСО&ЕННОСТИ ДВИЖЕНИЯ
СТОЛБА ШИХТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Основным затруднением, возникающим при описации законо-
u v
мерностеи движения шихты в доменнои печи, является дискрет-
ная структура' материалов, составляющих слоЙ. Размер частиц
шихты слишком мал для Toro, чтобы слой можно было рассмат-
ривать как ансамбль точечных масс, но он (размер) и доста-
iТОЧНО велик, чтобы внушить сомнения в правомочности исполь-
..
зования основных положении механики сплошных сред.
Исторически изучение вопросов формирования СТОЛQа ших-
товых материалов началось с попыток выяснить движущую
u
силу, вызывающую перемеще.ние материала в доменнои печи.
При этом в основном в экспериментах определял ась «активная
масса» шихты и ее связь с rеометрической конфиrурацией печи
(профилем) . Не останавливаясь на достижениях и недостатках
9
этих первых работ, отмет,ИМ, что их выводы часто были весьма
противоречивыми.
Несколько позже внимание исследователей привлекла Бнеш
..
няя аналоrия между движением шихты в доменнои печи и ис
течением сыпучих I сред из р азличноrо рода бункеров, р аспро
.... ..
страненных в rорнои, пищевои и строительнои промышленностях.
Особенно возросло число опубликованных работ, посвященных
закономерностям изменения вертикальноrо и боковоrо давлений
в силосах, а Также изучению процесс а истечения сыпучих из
бункеров, после выхода в свет работы r. М. Малахова [1].
Продолжается публикация TaKoro рода работ и в настоящее
время {2]. .
В этот период основной Kpyr вопросов, интересовавших ис
, 'о
следователеи, заключался в установлении зависимости верти
кальноrо давления от высоты слоя, в' определении коэффициента
боковоrо давления, в экспериментальной проверке , теоретиче
cKoro решения Х. Янсена и т. д. Результаты этиХ работ уrлубили
наши представления о статических и динамических процессах
в столбе шихтовых материалов, однако они не оставили ничеrо
конструктивноrо; не было даже получено эмпирическое COOTHO
шение, обобщающее закономерности изменения коэффициента
боковоrо давления, коэффициента BHYTpeHHero трения и т. д.
fлавным достоинством исследований данноrо периода в Teo
ретическом аспекте явлiется четкое установление факта непри
емлемости решения Х. Я,нсена для анализа работы реальных
arperaToB [1......:...4]. f'
Все же стимулирующее воздействие этих работ было ДOCTa
точно велико. Ясно видимые в них недостатки побуждал;и'
стремление избежать их в последующих опытах, а конечный
.. ....
иТоr предыдущих исследовании становился отправнои точкои
для последующих. .
Анализ литературы показывает, что «бункерный подход»,
т. е. признание аналоrии движения кокса к фурменным очаrам
и истечения сыпучих через отверстия бункеров, весьма распро
странен среди исследователей до'менноrо процесса. Этому об
стоятельству во MHoroM способствовала разработка Б. С. Фиал
ковым {3] лоrически стройноrо и физически непротиворечивоrо
механизма истечения шихтовых материалов через отверстия.
В настоящее время в большей части публикаций существованirе
..
динамически неустоичивых сводов в слое шихты, эллипсоидов
разрыхления и выпуска, а также дискретный характер истече
ния материала не подверrаются сомнению [2, 4, 5].
Отдавая заслуженную дань развитой в работе [3] схеме дви
жения материалов, отметим, что ее применимость к анализу
перемещений шихты в доменной печи не самоочевидна. OCHOB
ным препятствием к перенесению механизма, развиваемоrо
Б. с. Фиалковым [3], на действующие печи является, на наш
взrляд, полное иrнориро ание в нем стенок печи. и аэродина
"10
мическоrо воздействия, потока rаза (то, что в выражениях pa
боты [3] учтена величина Po, не решает проблемы). Кроме Toro,
u
несколько искусственноя выrлядит аналоrия между плоским
rоризонтальным отверстием и объемной, неправильной формы
u
зонои циркуляции.
Теоретических работ, посвященных математическому описа
нию движения материалов в слое, относительно маЛ06 Как
в случае экспериментальных исследований, эти работы связаны
в основном с перемещением нереаrирующеrо (инертноrо) слоя
в бункерах и установках слоевоrо типа.
Первоначально были предприняты немноrочисленные по
пытки :использовать для анализа paBHoBecHoro состояния слоя
уравнения теории сплошной среды, в частности разработанную
В. В. Соколовским [6] теорию статическоrо состояния rpYHToB.
Поскольку в случае слоя в установках различноrо типа число
u
неизвестных задачи превышало число уравнении, то для замь
кания _ системы привлекались дополнительные соотношения.
Широко использовалось, например, допущение о достижении
u
в слое условии предельноrо равновесия, предложение посто
янства коэффициента боковоrо давления и т. д. Типичными
В этом отношении являются исследования r. А. rениева [7],
Р.6 Л. 3енкова [8], п. и. Лукьянова. [9] и др.
Экспериментальная проверка не подтвердила результатов
решения уравнений моделей сплошной среды. Отсюда большин
ством исследователей был сделан вывод о неприемлемости aHa
u .. .
лоrии сплошнои среды для описания статики и движения слоя
(см., например, [3]). Интерес к подобноrо рода моделям иссяк,
и начались попытки rеометрическоrо и статистическоrо решения
проблемы.
Вывод о неприемлемости модели сплошной среды к анализу
движения шихтовых материалов в шахтных:'"печах и, в част
,ности, в доменных нам представляется' несколько преждевре
менным и недостаточно обоснованным. По видимому, здесь наб
v
людается еще один пример довольно часто встречающеися
ситуации, коrда доверие к безусловно верной идее подрывается
из за неверных ВСПQмоrательных предпосылок. Мы уже YKa
зывали, что для решения задачи обычно привлекается rипотез.з
'0 достижении предельноrо состояния во. всех точках сыпучеrо
материала в аппарате и одновременно предположение о неза
u
вИСИМости rоризонтальных нормальных напряжении от rоризон
тальной координаты. В связи с этим уместно привести BЫCKa
зывание ю. А. Буевича, который, комментируя работы, д. Вол
кера [10], заметил, что эти допущения не противоречат одно
друrому лишь в тривиаJ1ЬНОМ случае, коrда rоризонтальное
напряжение вообще исчезает; укажем, что полученные поля
напряжения не удовлетворяют уравнениям равновесия [11].
ю. А. Буевич далее отмечает, что «сама .rипотеза об YCTa
новлении состояния предельноrо равновесия примените ьно
11
u u
'к сыпучеи среде в контеинере представляется весьма сомнитель..
u ,
нои», И подкрепляет это положение весомыми доказательствами.
Таким образом, модель сплошной среды еще далеко не ис
черпала себя. Необходимо лишь при использовании ее для
u
анализа движения материала в доменнои печи не допускать
физически сомнительных преДПОСЫЛОК6 В частност ., следует
и еть в ,виду, что состояние предельноrо равновесиЯ' обычно не
имеет места для слоев в реальных аппаратах; предельное усло
вне для силы трения достиrается лишь на стенках аппарата, но
не в ero объеме [12].
Математиче кому, описанию движения материалов, собст
венно в доменной печи (а не в бункерах) посвящены мноrочис
ленные работы Б6 c Фиалкова с сотрудниками, получившие
обобщение в моноrрафии [3]. Заметим, однаRО, что в методике
расчета скоростей движения материала, изложенной в [3], спе
цифика доменноrо процесса фактически не учитывается. По сути
. u
дела здесь также описано истечение сыпучеи среды через rори
зонтальное круrлое отверстие (или rруппу отверстий) контей
нера caMoro произвольноrо профиля с поперечным сечением
любой формы. Эта всеобщность методики обусловлена тем, что
влияние стеньк печи на закономерности движения шихты
в уравнениях работы {3] совершенно не отражено. Иными слq
вами, соrласно развитой Б. с. Фиалковым математической
модели движения шихты в доменной печи, профиль печи COBep
тенно не влияет на поле скоростей материала (см., например,
рис. 67 работы [3]). С этим трудно соrласиться, ибо мноrолетняя
практика доменноrо производства свидетельствует об обратном..
Разработанный в{3] механизм истечения сыпучеrо материала
через отверстие, как отмечено выше, физически лоrичен и He
противоречиБ.. Этоrо, к сожалению, нельзя сказать о математи
ческом оформлении данноrо механизма. Уже то, что в основе
описания динамическоrо процесса' истечения лежит решение
u
чисто статическои задачи, не может не вызвать сомнения в пер
спективности TaKoro подхода. Эти сомнения еще более усили
ваются при внимательном анализе OCHoBHoro соотношения
методики [3] уравнения (14). Как следует из рассмотрения
рис. 2 работы .[3], уrол а, описывающцй форму свода (динами
чески неустойчивоrо), изменяется от 650 (в 'основании свода)
до 00 (в центре свода). В' то же время уравнение (14) имеет,
смысл лишь при уrлах, незначительно отличающихся от
а== arctg f.t (порядка 26,5 38-,50 для различных значений ,.,.,).
При любых друrих значениях уrла а ero приращение a )не
будет бесконечно малым, как это утверждается в [3}, а в центре
свода (а 1 ==.О) уравнение (14) вообще дает бесконечность (на
рис. 2 в этой точке a == О). Наконец, отметим, что упомянутая,
методика целиком базируется на уравнении, сохранения массы;
уравнение сохранения количества движения не использовано.
В работах х. и. Раскина с сотрудниками {2, с. '22, 30] пред
12
v
,принята попытка описать движения сыпучем среды и ее исте
v
чения из отверстия на основе качественнои аналоrии ДВИlКения
частиц слоя и молекул rаза6 Слой моделируется совокупностью
абсолютно rладких и абсолютно твердых шаров, которые нахо-
дятся . в состоянии непрерывноrо хаотическоrо движения.
Поскольку в слое шары в стесненном состоянии, они н пре-
РЫБНО стал'киваются. В процессе столкновения происходит об..
v
мен кинетическои энерrии между частицами, причем соударения
не будут В,полне упруrими (часть кинетической энерrии при
.ударе переходит в тепловую). ,;
По аналоrии с молекулярным движением rазов вводится
и
понятие квазитемпературы, пропорциональнои дисперсии ско-
рости (средней хаотической энерrии частиц). Ilоскольку при со-
и
ударении теряется часть кинетическом энерrии, то, с макроско-
u -u .
пическCfИ точки зрения, существует непрерывныи отвод тепла
со Бсеrо объема. В качестве источников квазитепла, поддержи-
вающих процесс Движения материала, служат внешние силы.
Любая деформация слоя сопровождается выделением квази
тепл а.
, Используя 'методы физической кинетики, Х. и. Раскин полу-
чил кинетическое уравнение Больцмана для функции распре-
деления частиц по скоростям и координатам. Это уравнение
решено автором в первом приближении, что позволило ему
перейти к расчету макровеличин (средней скорости движения
слоя, коэффициентов переноса и 'Т. д.) для виброкипящеrо слоя.
Уравнения движения плотноrо слоя получены путем предель-
lIoro перехода (при стремлении нулю длины «свободноrо про
беrа» час'тиЦЬi).
Результаты решения различноrо рода задач динамики слоя,
полученные Х. 'И. Раскиным с сотрудниками, указывают на Ka
чественное соответствие их (результатов) физике процесса дви
жения шихтовых материалов в бункерах, однако вопрос о коли-
чественном совпадеНИи в настоящее' время остается открытым.
Есть'основания полаrать, что с количественной стороны теория
Х. и. Раскина будет не вполне удовлетворительна, поскольку
и
rипотеза о статистическом независимости отдельных частиц, по-
ложенная в ее основу, применитеJIЬНО к дисперсным системам
неправомочна [13]. Кроме Toro, как показзно в работ-е [14], про-,
цесс изменения случайных скоростей частиц не обладает свой- .
ством марковости, что не учитывается Х. И. Раскиным.
Таким образом, подводя итоr сказанному выше, можно кон-
статировать, что, несмотря на обилие экспериментальных дан-
ных. и наличие физически обоснованноrо механизма истечения
сыпучих сред через отверстие, до настоящеrо времени отсутст-
вует достаточно лоrичная и надежная математическая модель,
. описывающая движение материалов Б шахтных печах.
Развитие зоны циркуляции в доменной печи. Как отмечено
выше, в большей части моделей движения шихты в доменной
13
печи фурменной очаr рассматривается как отверстие, через ко,.
торое происходит истечение кокса. ECTeCTBe HO поэтому то боль
ШОе внимание, которое уделялось и уделяется вопросам обра-
зования и развития зоны циркуляции.
Следует заметить, что само понятие «фурменный очаr» (или
зона циркуляции) вошло в литературу после опубликования ре-
зультатов исследований И. П. Бардина, М. Я6 Остроухова,
Л. З. Ходака и др. [15, 16], которые применили для изучения
фурменноrо очаrа скоростную съемку через rляделку фурмы.
На основании анализа кинопленок авторы работ [15, 16] пред-
ложили физическую модель зоны циркуляции, которая получила
широкое признание. Содержание этой модели, наиболее полно
изображенное в работе [16], состоит
в следующем (рис. 1).
После задувки печи при 'опреде-
..
ленном значении кинетическои
a Ф
;& энерrии дутья перед урмой возни-
'кает полость, имеющая почти пра-
,вильную сферическую форму. В этой
полости rазы совершают вихревое
циркуляционное движение, увлекая
за собой куски кокса и материалов
различной крупности. В процессе
оИрС н Hci:P := :aH = цир у яцйонноrо движения куски
Л. 3. Ходака [16] кокса сrорают' и на их место из
..
, промежуточноrо слоя толщинои
100 200 мм, окружающеrо фурменную зону, цоступают новые
массы кокса. Наличие первоrо максимума на линии С0 2 и ми-
нимума на линии 02 в пробах фурменных rазов объясняется
тем, что при циркуляции куски кокса дважды пересекают струю
дутья.
Отметим две характерные ОСQбенности данной модели:
во первых, зона циркуляции имеет сферическую форму и pac
положена над вытекающей из фурм струей дутья и, во-вторых,
куски кокса непрерывно циркулируют вместе с дутьем BOKpyr
некоторой точки, находящейся выше струи. Не касаясь пока
формы фурменной полости, укажем, что вихревой характер '!
движения rазов противоречит закономерностям развития струи
в поле переменноrо давления. Вероятно, предположение о цир-
куляционном движении кокса и rазов в зоне циркуляции на-
веяно результатами опытов на холодных моделях с неподвиж- )
ным слоем, поскольку при киносъемке через rляделку фурмы
невозможно получить достоверную информацию о форме по-,
лости И направлении движения (вперед или назад) кусков кокса
(даже с учетом стереоскопичности). Вместе с тем В. К. Дур-
новым показано [4], что закономерности, полученные на MOД -
лях с неподвижным слоем, нельзя переносить на противоток.
Кроме Toro, даже в опытах с неподвижным слоем,. коrда суще
14
ствует значительный перепад давления по 'высоте слоя, форма
. фурменной полости отличается от сферической или овальной
(см., например, РИС6 9 работы В. r. Манчинскоrо [17]). Заметим,
наконец, что простой аналйз сил, действующих на кусок кокса,
не подтверждает возможности ero обратноrо движения по Bepx
ней поверхности очаrа. Впервые экспериментально это было
показано А. с. Кукаркиным и Б. и. Китаевым в 1965 r. [18].
. Противоречия циркуляционной модели фурменной полости
побудили исследователей искать друrие пути к решению про
блемы. Б. с. Фиалков, предполаrая, что вытекающа из фурмы
струя rаза представляет собой конrломерат «частиц» rаза,
..
,и рассматривая чисто механическое взаимодеиствие «частиц»
r,аза и слоя, на основе решения" уравнения BToporo закона
Ньютона получил выражение для rлубины проникновения струи
в слой, а затем и для протяженности зоны циркуляции [3, 4].
Сопоставление результатов расчетов по полученным выраже
ниям с экспериментальными данными .п. з. Ходака, а также
с данными лабораторных исследований на холодных моделях
и orHeBoM стенде показало удовлетворительное их соответствие.
Однако это следует скорее приписать удачному выбору коэф
фициентов аэродинамическоrо сопротивления и сопротивления
слоя внедрению, нежели достоинствам физической модели.
Заметим, кстати, что во всех предложенных математических
моделях фурменноrо очаrа [3, 4, 19, 20]' авторы п.олучили YДOB
летворительное совпадение с экспериментальными.' данными,
хотя и исходили' из различных физических представлений. Это
и естественно, поскольку во всех моделях всеrда имеется хотя
бы один эмпирический коэффициент. .
С физической точки зрения схема, предлож.енная в работе
[3], неудовлетворительна в двух отношениях. Во первых, она
базируется на рассмотрении струи как rоризонтальной CTPYK
туры. Это допустимо, если в области, куда вытекает струя, не
. имеется вертикальноrо rрадиента давления. В доменной печи
u . , u
такоя rрадиент есть и весьма существенныи, поэтому в ДOMeH
ной печи струя дутья сразу искривляется начиная с небольшоrо
расстояния от носка фурмы. BO BTOpЫX, допущение о струе, как
-о конrломерате частиц, каждая из которых имеет собственную
массу, импульс и может рассматривать'ся' самостоятельно, про
тиворечит экспериментальному и теоретическому материалам
о rазовых струях, накопленным к настоящему времени. Дейст
v
вительно, описывая закономерности развития струи, исследова
тели rоворят о вихревых структурах, разрыв.ах течения, Ma poR
частицах rаза, однако это не те структуры и макрочастицы,
которые можно считать подобными куску кокса. Отметим также,
что в уравнении (37) paqoTbI [3] фиrурирует слаrаемое, которое
противоречит исходной физической модели, сила аэродинами
ческоrо сопротивления Т. Не совсем ясно, какая среда оказы
вает аэродинамическое сопротивление «частице» rаза, если
15
последняя перемещается в конrломерате, окруженная друrими
«частицами», а, кроме кусков кокса, друrих сред в системе Н,ет.
. А. М. Довrаль и К. А. Шумилов [19], используя работу
Н. А. Шаховой в области струйной теории псевдоожижения [20],
предприняли попытку ее применения к условиям работы доменw
ной печи и получили .выражение для протяженности фурменной
зоны, в котором наибольший размер фурменной зоны пропорw
ционален не лоrарифму скорости истечения дутья, как в форw
муле Б. С. Фиалкова, а скорости в первой .степени. Авторы-'
работы [19] поддерживают точку зрения Б. И6 Китаева и
А. С. Кукаркина [18] о том, что циркуляционный режим движе w
. u .
ния кокса и rазов в доменнои печи невозможен.
,Физическая модель фурменной полости, принятая за основу
в работе [19], состоит в следующем. При истечении струи дутья
ИЗ фурмы со скоростью, превышаю
щей скорость витания наиболее
крупных частиц кокса, в прифур .
менной зоне о разуется чисто rазо w
вый факел, т. е6 полость, свободная
от частиц кокса (рис. 2). Этот фа
кел окружен двухфазны,м (rаз
частицы слоя) поrраничным слоем,
представляющим собой зону. псев
доожижения. В ней возможны ЛИIЩ>
. u
, два вида перемещении частиц.
Первый движение сверху' вниз к поверхности начальноrо
участка rазовоrо факела. Попадая на эту поверхность, частица
u u
кокса вследствие высокои кинетическои энерrии струи не может
проникнуть через нее и отбрасывается (вдоль поверхности фа
кела) в центральную зону печи. Второй вид перемещений свя w
u
заи с выносом мелких частиц кокса к верхнеи rранице зоны
псевдоожижения.
. Протяженность фурменной полости определяется достиже
ни ем скоростью, ra30Boro факела скорости витания наиболее'
крупных кусков кокса. В точке - (нлоскости), [де это равенство \
скоростей выполняется, rазовый факел «закрывается»; проис
u
ходит взаимодеиствие со слоем кокса по закону неупруrоrо
'с.оударения. При этом одна часть rаза струи продолжает дви )
. жение к центру печи, а друrая после удара поворачивает
вверх. Количественное соотношение между указанными частями
определяется rазопроницаемостью слоя кокса по направлению
к центру печи.
Не останавливаясь на мноrочисленных допущениях * модели .:,'
Н. А. Шаховой, послужившей основой работы [19], отметим, что
перенос ее результатов на условия работы доменной печи
"
Зина лсе8000ЖLLжения
РИс. 2. Структура фурменщ)й поло
сти, по данным А. М. Довrаля и
К. А. Шумилова [19, 20]
* Например, уравнение (23) работы [20] противоречит соотношениям
(12) и (13).
16
весьма проблематичен. Н. А.' Шахова неоднократно. указывала,
что вплоть до перехода слоя в псевдоожиженное состояние
сохраняется, как единственная, фильтрационная форма движе
ния rазовоrо потока. Избыток rаза сверх минимально необхо
димоrо для псевдоожижения будет истекать в псевдоожиженный
u V
слои как в rомоrенную среду в виде струи, развивающихся по
законам rазовой динамики. Именно для этоrо последнеro слу
чая и предложена модель [20]. Характерной особенностью pa
боты {20] является одинаковость давления во всем объеме
псевдоожиженноrо слоя.
В доменной печи, как уже отмечалось, TaKoro равенства
давлений н'ет. Не имеется в ней и четко выраженной зоны псев
..
доожижения, для которои характерно витание частиц, причем
u, u
последнее . должно вызываться вертикальнои компонентои CKO
расти rаза, а не rоризонтальной. Поэтому вряд ли можно
считать' верной модель фурменной полости, развитую в работе
[19], тем более, что существование чисто rазовоrо факела явно
противоречит мноrочисленным результатам rазовоrо анализа
(вдоль оси rазовоrо факела, совпадающеrо с осью фурмы,
пробы rаза давали бы только воздух).
Таким образом, суммируя вышеизложенное, можно сделать
u
;вывод, что в настоящее .время нет лоrичнои, внутренне непро
"тиворечивой физической и математической модели образования
и развития фурменной полости, у'читывающей все особенности
доменной печи и rлубокую взаимосвязь процессов движения ra
. зов и материалов. . " "
Анализ решений мноrочисленных задач rазомеханики слоя
(см., например, [21, 22]) приводиr 'к возможности следующей
модели образования фурменноrо очаrа. После задувки печи
первоначально наблюдается фильтрационный режим движения
rазов. В иепосредственной близости от фурм профиль скорости
rаза неравномерен; четко выделяется линия тока, вдоль котаРОЁ
скорость максимальна. Именно вдоль этой линии, выпуклой
в сторону центра печи, процессы rорения протекают наиболее
интенсивно. Вследствие этОtо, а также в силу большой кине
тической энерrии потока rаза вбли и фурмы вдоль указ.анной
линии образуется зона повышенной порозности 'слоя, прости
рающаяся на некоторое расстояние от нОска фурмы.
По мере увеличения расхода дутья ширина трубки TOKa
охва:rывающей линии тока с. наибольшими скоростями, возрас
тает. Увеличиваются при этом и размеры зоны повышенной
порозности. Следует также учитывать, что, cor ласно принципу
наименьшей работы, в эту зону стремятся попасть -: все rазы,
вытекающие из фурмы, поскольку именно на этом пути сопро
тивление движению потока минимально. Поэтому в зоне повы
шенной порозности возникает свободная от кокса каверна, KO
торая по мере увеличения расхода дутья превращается в изо
rнутую, постепенно расширяющуюся фурменную полость.
2 Заказ N2 97
17
. . Именно такую конфиrурацию фурменной зоны обнаружили
М. rройль, Ф. Хильнхюттер, Х. Кистер и Б. Крюrер .[23], иссле
довавшие движение материалов в области фурм доменной печи
с помощью эндоскопа (рис. 3). Поскольку эндоскоп вводили
непосредственно в фурменную полость, а это позволяло прово
дить киносъемку не только в направлении оси фурмы, но и пер
пендикулярно ей, то достоверность представленных в работе
[23] результатов не вызывает сомнения.
Анализ кинопленок скоростной съемки позволил авторам
исследования [23] уточнить характер движения кокса в фурмен
ном очаrе. Блаrодаря изоrнутой
конфиrурации полости свод ее об
'разуется на некртором удалении от
среза фурмы (ближе к центру
печи). Поскольку поток дутья дви
жется здесь почти вертикально и
кинетическая энерrия ero велика, то
u
этот свод весьма устоичив; именно
на нем cropaeT основная масса
кокса. Напротив, поверхность фур
u
меннои зоны, примыкающая
к фурме, динамически неустойчива.
Как только силы вертикальных нормальных напряжеций, воз r
растающие в результате движен.ия слоя, превысят силу сопро
тивления потока rазов, некоторая часть кокса обрушивается
в поток дутья. Обрушившиеся куски кокса «выметаются» струей
из фурменной полости и внедряются в устойчивый свод.
Таким образом, движение кокса в фурменной зоне имеет
дискретный характер, как это и утверждается в работе [3].
Однако кокс не cropaeT в полости, а как бы «перевеивается»
через нее. Не противоречит изложенная. картина движения и
u
результатам rазовоrо анализа, типичным для доменноя печи
[15, 16].
Рис. 3. Конфиrурация фурменноrо
очаrа, по данным работы [23]: а
зоны расходования кокса; б окис-
лительная зона
2. r А30РАСПРЕДЕЛЕНИЕ И РАСЧЕТ ПаЛЕЯ'
СКОРОСТЕЙ rАЗА в О&ЪЕМЕ ПЕЧИ
rазораспределение в доменных печах можно реrулировать раз
ными способами. Прежде Bcero это реrулирование«сверху»
изменением режимов заrрузки и распределения шихтовых Ma
териалов на колошнике. Однако по мере увеличения поперечных
u u
размеров печеи и повышения насыпноя массы рудных материа
лов возможност реrулирования распределением шихты на
. u
уровне засыпи существующими засыпными устроиствами сни
жаются [24]. В связи с этим возникает необходимость pery
лирования распределением rазовоrо потока «снизу» изменением
параметров устройств ввода дутья. Из опыта раБо ыI мноrих
заводов следует, что увеличение высова фурмы' до HeKoToporo
"".1.8
предела улучшает работу печи, повышает ее производитель
ность, устойчивость rарниссажа и т. п. [25, 26]. Причем для каж
ДОЙ конкретной печи высов фурмы имеет свое оптимальное зна
чение [25]. Известно также, ЧТО.увеличение уrла наклона фурмы
способствует повышению ее стойкости и производительности
печи [27]. Изменения диаметра фурм и расхода дутья также
являются' эффективными средствами реrулирования rазораспре-
деления [28]. Причем, как и для высова фурмы, существует
оптимальное значение этих параметров. Для определения опти-
мальной rеометрии устройств ввода дутья, необходимоrо про-
филя печи и ее размеров требуется знание распределения ско-
ростей и давлений в слое. Отсюда возникает задача по OTЫCKa
u U u
нию указанных полеи скоростеи и давлении.
Эта задача в настоящее время решается мноrими исследо-
вателями, работы которых, как и в случае изучения кинематики
движения шихтовых материалов, сводятся к двум основным на-
правлениям. Первое из них это физическое моделирование и
u
эксперименты на де ствующих печах; второе математическое
описание закономерностей движения rазовоrо потока. в слое
KycKoBoro материала.
Экспериментальные исследования 2азомеханики пЛОТНО20
слоя. Плодотворность этоrо направления всецело определяется
точностью и надежностью датчиков давления и скорости.
Отсутствием таких датчиков можно объяснить тот факт, что до
недавнеrо времени при освещении работы шахтных Печей orpa-
ничивались лишь обоснованием методов расчета сопротивления
слоя шихты, которые были в основном направлены на установ-
и
ление универсальнои зависимости для расчета rидравлическоrо
сопротивления. Первые систематизированные работы по опре
делению сопротивления слоя движению rаза были опубликованы
с. Фурнасом. Последующими кропотливыми 'и тщательными
исследованиями формула, устанавливающая связь между со-
противлением rазовому потоку и свойствами rаза и столба
шихты, была уточнена как для ламинарноrо, так и для турбу-
лентноrо . потоков. Периодические 9бзоры накапливающихся
исследований были выполнены проф. М. А. Стефановичем [29],
л. Ф. Боrданди и r. д. Энrелем {3О] и др. Из этих работ выте-
кает" ,что достаточно надежная зависимость по определению
сопротивления слоя отражается формулой с. Эрrана [30]
( 1 Е ) 2 f.I. ....... ( 1 Е ) 1, -+
Rl=== gradp===150 ЕdкФ 7'Vo+l,75 ЕdкФ pqo'Vo, (1)
..
которои широко пользуются при анализе и решении задач rазо-
механики. '
В последнее ремя в связи с разработкой математической
модели доменноrо процесса соотношение (1) подверrалось
«жесткой» проверке. В мноrочисленных исследованиях рассмат-
ривалась приrодность данноrо выражения для описания
2*
19
закономерностей изменения давления по высоте слоя в условиях,
максимально приближенных к реальной обст новке доменной
u u
плавки: послоиная заrрузка шихтовых материалов, орошаемым
движущийся неизотермический слой и .т. д. [31, с. 9 13, 32 37].
Эти исследования, выполненные Н. Стендишем и и. д. Виль
ямсом {31, с. 9 13], r. Брауэром [30, 32], Р. Ешаром (33],
М. Аматацу, М. Чоном, А. Ешизава и М. Тате [34], Т. Фукутаке
и К. Окабе [35], дж. п. Джексом и Р. п. Меррилом [36], В6 Ko
ляр и з. Броц [37] и мноrими друrими, позволили уточнить
формулу сопротивления слоя для вышеуказанных случаев, YCTa
новить величину сопротивления на rранице слоев разнородных
материалов, что существенно важно при проектировании ДYTьe
вых средств и установлении параметров . работы доменны:&
u u
печеи, при использовании этих соотношении в р'асчетных иссле
дованиях rазомеханики слоя.
Несмотря на трудности, возникающие при эксперименталь
ном изучении rазомеханики слоя KycKoBoro м атериала, известны
мноrочислен.ные работы по определению СКQростей rазовоrо по
тока. Не останавливаясь подробно на каждом исследовании, ,
выделим среди них четыре основные труппы, использующие раз
u
личные методы определения скоростеи rазовоrо потока в слое:
а) по массообменным характеристикам;
б) с использованием радиоактивных изотопов, инертных и
друrих rазов;
в) с помощью пневмометрических трубок;
r) с помощью термоанемометров и термисторов.
Одним из первых массообменные принципы для определения
скоростей применили А. Б. Чернышев (38], Дж. Венет иР. Браун
[39]. Наибольшее развитие эти методы получили в работах
М. э. Аэрова и Н. Н. Умника [40]. В силу сложности постановки,
проведения и обработки результатов экспериментов, их HeBЫCO
u
кои точности, а также невозможности применения для иссле
дований на действующих печах массообменные методы не
u
нашли широкоrо применения в практике изучения доменнои
плавки.
Вместе с тем следует отметить, что все эти работы оказали
на доменщиков определенное психолоrическое воздействие.
'Именно вследствие результатов исследований, базирующихся на
использовании массообменных характеристик, в среде ДOMeH
щиков укоренилось представление об обратно пропорциональной
зависимости между расходом rаза и содержанием в нем ДBY
окиси уrлерода. Это убеждение к настоящему времени укорени
лось настолько rлубоко, что результаты экспериментов, получен
ные с использованием самых современных измерительных
средств, встречаются с подозрительностью и скептицизмом, если
u
они не укладываются в «прокрустово ложе» вышеуказанно,И за ,
виtимости. Такое положение тем более удивительно, что неиз
вестно ни одной ПОпытки тщательной роверки те'зиса об
20
обратно пропорциональной зависимости между расходом rаза
и содержа иеIv.1 в цем СО 2 д.остаТОЧНQ, надежными и точныIи.,.
Э,кспериментальными или аналитическими методами. С друrой
стороны, авторы метода масс<?обменных характеристик HeOДHO
кратно подчеркивали, что возможность и точность количествен-
Horo расчета распределения GKqpocTe на основе обратной про-
порциональности целиком обусловлены достиrнутой степенью
равномерности распределения воздуха, сорбируемоrо вещества
или инертноrо rаза на входе в слой {38 40]. Эта равномерность
..
заведомо отсутствует в случае доменнои плавки.
: Первая попытка определения скоростей rаза в' доменной
печи непосредственным изм рением времени ЦРОХО2Кдения rазов
от уровня фурм до уровня засыпи с помощью радиоактивных
цзотопов была предпринята Е. В. Войсом [41]. Несколько ПО32Ке
методика Е. В. Воцса была усовершенствована Ф. Ф.. Колеса-
новым ,[42] и др. Особенно плодотворно в области изучения Bpe
мени пребывания rазов .в печи с использованием радиоактивных
изотопов поработали Л. А. Бялый, А. Б. Шур и А. П. Котов
[43, 44]. Эти исследователи установили, в частности, факт He
соответствия между временем пребывания rазов (их скоростью
движения) 'и. распределением, в них СО 2 по радиусу печи.
: В последние rоды опубликован ряд работ, в которых CTa
ВИТСЯ,..:3'адача экспериментальноrо изучения распределения CKO
.. .
ростеи rаза в промышленных доменных печах или на их Moдe
лях. При решении этих .,задач исследователями б:ыIии использо
. '
ваны известные методики, в некоторых случаях претерпевшие
существен ую модификацию. Так, например, Б. r. Пластинин
[31, с. 94 98], К. М. Буrаев (45], Н. Стендиш и К. Полть е (31
с. 99 l05] применяли новые радиометрические датчики, позво
лившие не только определить. среднее время пребывания аза
в .печи и среднюю скорость ero движения, но и локальные значе
..
ния скорости В даннои точке слоя, а также ее распределение по
радиусу печи. Обработка полученных данных дала возможность
авторам [31, с. 99 105] выявить формулу для расчета изменения
..
скорости вдоль радиуса установки, котором, как пишут авторы"
можно пользоваться при изучении rазораспределения в ДOMeH
..
нои печи.
Следует заметить, однако, что и эти последние р'аботы не
свободны от весьма существенных допущений (MrHoBeHHocTb и
идеальность перемешивания индикатора и rаза носителя, paB
номерность распределения rаза по поперечному сечению YCTa
новки ,при, 1'арировке прибора и т. д.), блаrодаря чему сни.,
жается достоверность не только абсолютных Значений скоростей
движе;ния rазов (или их расходов), но и их профилей. .
В ряде исследований при изучении rазораспределения были
испо ьзованы напорные, трубки. Так, С. Кинни еще в 1927
1928 rr. определил действительные скорости rаза в' шахте дo
..
меннои печи замером динамическоrо напора.
21
Однако метод измерения скоростей с помощью напорных
трубок нельзя считать надежным вследствие TO'ro, что напорные
трубки весьма чувствительны к вихревым потокам в слое и при
незначительной 'запыленности потока каналы трубки леrко засо
ряются. Также отмечают, что напорной трубкой мо!Кно измерят
u .
скорости rаза только в однои точке слоя материала, а поэтому
u
измеренная величина не является представительнои даже для
orp аниченноrо объем а слоя.
Несмотря на эти недостатки, напорные трубки служили един
ственным способом измерения скоростей в шахтных печах
[46 47]. При этом авторы пытались устранить или хотя бы час
тично компенсировать присущие напорным трубкам недостатки,
применяя различноrо рода конструктивные усовершенствоgа
ния [3].
с. Е. Шварц и Дж. М. Смит .[48] для измерения скорости
rаза пользовались термоанемометрами, которые устанавливали
v
в пяти концентрических сечениях расположенных в однои rори
зонтальной плоскости. У. Якоб продолжил разработку методов
измерения скорости rазов в слое засыпки и предложил He
сколько схем с применением термоэлементов и термисторов.
Им описан один из методов тарировки анемометров для иссле
дования турбулентных потоков, а также демпфирования пуль
саций скорости нетурбулентноrо происхождения [49].
Примен:ению термисторов и термоанемометров для измере .
v
ния скоростеи rазовоrо потока в слое и на выходе из Hero
посвящены также работы К. Невелла и Н. Стендиша (50],
А. с. Кукаркина, с. В. Бакина и Б. и. Китаева [51] и мноrие
друrие.
Интересные результаты получены в последние [оды rруппой
сотрудников УПИ им. с. М. Кирова 131, с. 15 20]. При помощи
..,
усовершенствованнои конструкции импульсноrо TepMoaHeMO
метра УПИ [52] ими изучено распределение модулей скорости
в доменных' печах (ММК) объемом 1370 и 2014 м З . Полу енные
данные прямо подтверждают теорию пространственноrо движе
ния rаза в шахтных печах и хорошо корреспондируются с pac
четными результатами [23, 53, 54, 31 с. 69 74], а также с BЫ
,J
u
водами экспериментальных исследовании, проведенных на Moдe
лях (см. rл. IV, 2).
Из Bcero сказанноrо выше можно заключить, что экспери-
ментальные исследования rазомеханики слоя в последнее время
продолжали интенсивно развиваться. Предложенные новые Me
u v
тоды измерения скоростеи и давлении rаза в слое позволили
перейти к изучению процессов движения rазов в реальных
печах, а мноrочисленные экспер менты, проведенные на печах
и на моделях, дали возможность уточнить зависимость перепада
давления от скорости rаза и выявить влияние различных пара
v
метров шахтных печеи на rазораспределение в них, 'а также
предложить различные методы управления rазовым потоком.
22
Между тем, как было отмечено ранее, экспериментальным MeTO
дам присущи известные недостатки (большая трудоемкость,
U '
сложность условии, существующих в шахтных печах и затруд
, u
няющих проведение исследовании, трудности создания ,ДOCTa
точно большоrо р азнообр азия моделей печей и т. д.), которые
заставляют обращаться к расчетно теоретическим исследова
ниям rазомеханики слоя.
Расчетно теоретические исследования zазомеханики слоя
кусковых материалов
В настоящее время расчетно теоретические исследования дви
жения rазов в слое вообще и в доменных печах, в частности,
вступили в эпоху бурноrо развития. Если до 1970 1971 rr.
в литературе можно было найти лишь считанные публикации,
то сейчас известно уже несколько металлурrических центров
в мире, .которые занимаются математическим описанием rазо
механики слоя кусковых материалов.
Следует отметить, что попытки разработать методику pac
чета, которая позволила бы определить поля давлений и CKO
ростей в. объеме шахтной печд, предпринимались неоднократно.
Надо признать, однако, что большинство из них были не вполне
корректными. Хотя в названии работ и фиrурировало выраже
ние «математическое описание», но ни закон сохр,анения массы,
ни закон сохранения количества движения в этих описаниях не
учитывали. ,
Подход к задачам rазодина,мики слоя, как к задачам MaTe
матической физи!{и, получил свое развитие во MHoroM блаrодаря
работам акад. л. с. Лейбензона, который в свою очередь опи
рался на фундаментальные труды выдающеrося pyccKoro MaTe
матика и механика Н. Е. Жуковскоrо. Этот подход .позволил
'использовать при расчете параметров rазовоrо потока хорошо
разработанный математический аппарат теории функций KOM
плексноrо переменноrо, аналоrовую и цифровую ВI;>Iчислитель '
ную т хнику, а также более обоснованно решать вопросы физи
ческоrо моделирования.
Первоначально исследователи, стремясь получить аналити
ческое решение задачи, шли по пути максимальноrо упрощения
v
системы уравнении движения rазов в слое конвективные YCKO
v
рения не учитывались, порозность слоя полаrалась постояннои
во всем объеме, принимался линейный закон сопротивления
(закон Дарси) и т. д. В этом случае задача сводил ась к реше
нию уравнения Лапласа при соотвеТСТВУIОЩИХ rраничных
условиях. При этом использовали либо методы конформных
отображений (см. например [22, 55]) t либо классический метод
разделения переменных (в этом плане наибольший интерес
представляет работа [56]). В рамках метода конформных OTO
бражений представлялось также возможным учесть отклонения
23
u
закона сопротивления от линеиноrо, однако только для весьма
специфических случаев. Характерным примеро.м TaKoro учета
являются работы {55 и 57], причем последняя из них из за искус
ственности и сложности имеет скорее методическое значение,
нежели практическое.
названныIe выше и аналоrичные им работы позволили YCTa
новить некоторые характерные особенности движения rаза
в шахтных печах при фурменном вводе дутья: размеры зоны
пространственноrо течения, влияние .,размеров слоя и rеометрии
фурменноrо устройства на равномерность rазораспределения
и т. д. Кроме Toro, на TaKoro рода задачах отрабатывались раз
личные численные методы и алrоритмы расчетов.
Однако довольно скоро' среди исследователей наступило
разочарование в аналитических методах анализа задач rазо
механики слоя. Основную роль в этом сыrрали два обстоятель
ства. Во первых, полученные' решения (для конфиrураций
области движения, представляющих практический интерес)
отл'ичались чрезвычайной сложностью или. требовали учета
большоrо количества слаrаемых ряда (до 100 и более), в силу
чеrо «ручные» вычисления становились невозможными. BO BTO
рых, экспериментальная проверка результатов расчета пока
зала, что подобноrо рода решения, качественно верно отражая
основные. закономерности движения rазов в слое, с количест
венной стороны оставляют желать лучшеrо. Так, например, все
аналитические решения указывают на высоту зоны двумерноrо
течения, лежащую в узком переделе hдв==0,,7 О,75D, rде D
диаметр печи. В то же время мноrочисленные эксперименты,
выполненные на моделях, в частностй исследования, проведен
ные на кафедре металлурrических печей УПИ им. :с. М. Кирова
и во ВНИИМТ, отмечают rораздо более сильную зависимость
u
размеров зоны пространственноrо течения от rеометрии шахтнои
печи и устройств ввода дутья: для различных опытов h дв
изменялась от 0,75D дО 3,5п. В этих условиях B XOД
из положения представлялся в более cTporoM учете особенно
стен движения rазов в слоен' В' переходе от аналитиче
u
ских решении к численному моделированию задач rазомеха
ники на ЦВМ.
, Первый шаr в этом направлении был сделан ю. .Радешто
ком [58]. Использовав вместо уравнения дви}кения закон сопро
тивления э. Эрrана (30] и объединив этот закон с уравнением
неразрывности, ю. Радешток получил систему уравнений, KOTO
рая затем решалась численно на ЦВМ дЛЯ двух случаев: коrда
плотность rаза является постоянной величиной и коrда она под
чиняется ур авнению состояния идеальноrо rаза. В этой работе,
а также в работе, выполненной совместно с Р. Ешаром [59],.
было исследовано влияние на закономерности распределения
давлений и скоростей в доменной печи расхода rаза (режима
течения), сжимаемости потока, а также неоднородностей шихты,
24
представляющей собой параллельные V образные слои различ
ных материалов. '
Авторы работ [58, 59] уст новили, что сжимаемость rазов
u
практически не влияет на характер линии тока, а тем самым
Ц на плотность потока, однако это не относится к полю давле
ния, существенно зависящему от сжимаемости. Иными словами,
u u
для оценки поля скоростеи rазов в доменнои печи вполне при
емлемо приближение потенциальноrо течения. Далее было пока
зано, что этот вывод остается справедливым даже при HeOДHO
u
роднои шихте.
Несколько позже ю. Радешток и Р. Ешар решили COBMeCT
. ную ,задачу rазодинамики и теплообмена для сравнительно
цростоrо случая Движ'ения ra30Boro, цотока в противоточном
реакторе цилиндрическоrо ти а с подводом или отводом тепла
через ero стенки [60]. Полученн ые ими данные rоворят о необ
ходимости учета неизотермичности процесса при решении rазо
механических задач. .
Основным недостатком этих работ является то, что в них
..
совершенно иrнорируется rеометрия устроиств ввода дутья и
кинетическая энерrия ДУТЬЯ6 В связи С этим количественно pe
зультаты расчетов, полученные в [58..........60], не ВПОJ;Iне удовлет
ворительны: для высоты зоны двумерноrо течения, например,
авторы (58] получили значение, равное О,5п. Тем не менее, pa
боты ю. Радештока и Р. Ешара стимулировали дальнейшие
, .
исследования., поскольку показ.али направление н'аи(50лее эффек
тивноrо приложения усилий в области решения задач rазоме
ханики.
'
Математическая модель движения rазов в доменной печи,
предложенная ю. Радештоком и Р. Ешаром, имела недостатки
и в чисто вычислительном асп кте. Дело в 'том, что В данной
u ..
модели система уравнении решалась относительно давлении.
В этом случае получалось довольно rро оздкое нелинейное
дифференциальное уравнение в частных производных BToporo
порядка с большим числом переменных коэффициентов, pea
лизация KOToporo на ЦВМ требовала до 5000 шаrов итераций
[58]. Кроме Toro, с увеличением чисел Рейнольдса скорость cxo
, димости мето:да снижалась.
. В. Станек и Дж. 3екели [61 63] применили более удобную
методику. На основании анализа уравнения с. Эрrана авторы
пришли к выводу, что для описания rазомеханики слоя .вполне
достаточно учесть квадратичное слаrаемое уравнения (инер
ционную часть). Пр и меняя операцию ротора к векторной форме
записи TaKoro «укороченноrо» уравнения Эрrана, получают
выражение для вектора скорости rаза, в котором давление не
фиrурирует. Это выражение затем преобразуют, вводя функцию
тока, к' квазилинейному дифференциальному уравнению в част
ных' производных BToporo порядка, которое рещают на ЦВМ
методом последовательной вер ней релаксации. Поля. давлений
25
u
вычисляют по известному полю скоростеи, используя уравнение,.
полученное после применения к уравнению Эрrана операции
Диверrенции. .
В своих работах В. Станек и Дж. Зекели [31, с. 1 8;
61 63] * основное внимание уделили выяснению влияния Heoд
..
нородностеи шихтовых материалов на равномерность rазорас
пределения. Предварительный анализ позволили им сделать
вывод, что при решении задач движения rазов в слое обяза
тельно необходимо учитывать следующие виды HeOДHopOДHO
стей: а) наличие объемных зон, состоящих из частиц различных
размеров и формы (например, последовательные слои окатышей
и кокса); б) существование поверхностей раздела объемов, co
держащих: различные частицы (на этой поверхности порозность
слоя минимальна, поскольку ,частицы меньших размеров прони
кают в пространство между частицами больших размеров);
в) изменение плотности rаза вследствие зависимости ее от дaB
. u
ления и температуры, а также из за химических реакции между
u
rазом и шихтои.
Последовательно реализуя различные варианты структуры
слоя, авторы [31, с. 1 8] анализируют взаимосвязь сеrреrации
кокса с явлением каналообразования и рекомендуют вариант
укладки слоев (заrрузки), обеспечивающий наилучшую paB
..
номерность распределения rазов в шахте доменнои печи.
В отличие от Ю. Радештока и Р. Ешара В. Станек и Дж. Зе-
кели не оrраничиваются разр'аботкой математической модели
движения rаза в слое и ее реализацией на ЦВМ; они делают
попытку проверить адекватность модели реальному процессу.,
для чеrо сопоставляют результаты расчетов с профилем CKO
..
рости, замеренным над уровнем засыпи холоднои модели ДOMeH
ной печи с помощью термоанемометров [31, с. 1 8]. ABTOW>I
[31, с. 1 8; 63] делают вывод о достаточно хорошей сходимости
результатов расчета и эксперимента и об адекватности модели.
Этот вывод представляется нам несколько преждевременным: по
двум причинам. Во первых, утверждение об адекватности MaTe
.. '
матическои модели экспериментальным данным нуждается в под
тверждении На более низких rоризонтах, BO BTOpЫX, постановка
задачи в этих работах не совсем корректна, что будет paCCMOT
рено ниже.
Поскольку исходные уравнения математических моделей
[31, с. 1 8 и 68] одинаковы, то все, что было сказано о Heдo
статках подхода 10. Радештока и Р. Ешара, остается в силе
и в отношении Модели В. Станека и Дж. Зекели. Кроме Toro,
при постановке задачи авторы [61 63] использовали некоторые
противоречащие друr друrу допущения, что уменьш ет доверие
к отдельным результатам расчета. В самом деле, при выводе
уравнений пЛОТНОСть rаза полаrалась постоянной, но затем при'
* Впоследствии к НИМ примкнули Дж. Поверомо и М. Пропестер.
26
вычислении учитывали ее зависимость от давления и темпера
туры. Уравнение движения rаза в слое не. рассматривапось;
вместо Hero использовали соотношение С. Эрrана, т. е. KOHBeK
тивные ускорения предполаrались ничтожно малыми. С друrой
стороны, ротор скорости (завихренность) авторы [31, с. 1 8,
61 63] считали отличным от нуля. Если при постановке задачи
следует пренебречь конвективными ускорениями, считая их нич;-
тожно малыми, то совершенно не понятно, почему нужно учи
тывать первые производные компонент скорости rазов при
применении операции ротора к уравнению Эрrана, тем более что
это те же самые (или такие же самые) производные, которые
Р,анее были отброшены. Видимо, этими неувязками объясняется
,:тот факт, что на рис. 3 [31, с. 1 8], приведенном в качестве
иллюстрации вихревоrо движения rазовоrо потока, линии тока
замыкаются не сами на себя (как это должно быть при вихре
вом теч нии), а. одна на друrую, что прот.иворечит. физике
течения.
Теоретическому анализу работы доменной печи, основанному
. U
на описании закономерностеи движения rазовоrо потока через
последовательные слои руды и кокса, посвящена работа М. Ky
вабара и И. Мухи [31, с. 61 67]. Используя математическую
модель движения rаза в слое, разработанную В. Станеком и
Дж. 3екели, эти авторы, рассматривая результаты решения
частных rазомеханических задач,. выводят приближенную зави
U
симость распределения скоростеи rаза по сечению, шахты дo
менной печи. Эту зависимость используют для анализа движе
ния rазов в шахте печи в случаях, коrда сопротивление слоя
представляет собой непрерывную, функцию радиальной коорди
'наты и не зависит от координаты вдоль потока, а также коrда
слои руды и кокса чередуются. Достоинством' ,работы М. KY
вабара и И. Мухи является тщательный анализ взаимосвязи
характера распределения и rеометрии слоев ших;ты и шахты
доменной печи (профиль шахты). Недостатки вытекают из
общности ее основы с моделями, рассмотренны1'4И ранее.
В работах В. С. Швыдкоrо, Я. м. rордона, ю. r. Ярошенко
и В. Б. Щербатскоrо [22; 31, с. 69 74; 53; 54], математическую
U
модель движения rазов в доменнои печи строят на основе каче
, U
ственнои .аналоrии между течением реальноrо rаза в слое и
движением rипотетической среды, заполняющей весь объем
arperaTa, включая и объем частиц материала. Применив извест
ные положения теории сплошной среды, авторы [22; 31, с. 6Q 74]
выводят уравнения неразрывности движения и энерrии. Для
замыкания системы используют уравнения теплообмена и со...
стояния совершенноrо rаза.
Сист ма уравнений, предложенная в {22; 31, с. 69 74; 53; 54],
содержит трудноопределяемое слаrаемое, представляющее co
бой силы трения rаза о поверхности частиц материала. Авторы
[22; 31, с. 69 74] выходят из положения, применяя эмпирическое
27
соотношение с. Эрrана. Такая замена упрощает исходную
.модель и исключает необходимость учитывать вихревой xapaK
тер течения rаза в межкусковом пространстве.
" Следует отметить большие физические и м атематические воз..
можности модели движения 'rазов в слое, изложенной в работах
(22; 31, с. 69 74; 53; 54]. К сожалению, они в должной мере
пока еще не использованы. Авторы этих работ решили задачу
rазомеханики шахтной печи с фурменным вводом' дутья в при
ближении потенциальноrо течения. Ими установлено, что paB
номерность распределения rазов в объеме слоя существенно
..
зависит от rеометрии устроиств ввода дутья: высова и диаметра
фурм, расстояния их от поверхности расплавов в ropHe и т. д.
Большое внимание в этих работах уделено выяснению влияния
конвективных ускорений (отброшенных в работах [58 63]) на
закономерности rазораспределения.' Показано, что неучет KOH
v
вективных ускорении приводитк значительному искажению
характеристик поля давления в доменной печи [31, с. \69 74; 54].
И хотя при ПрОЧ'их равных условиях это вызывает поrрешность
в определении расхода rазов Bcero в 130/0, ошибка ВЫЧJ{сления.
локальных скоростей потока (скоростей в данной точке) дости
raeT 200'0/0 и более. '
В работе [74] описаны экспериментальные' исследования на
..
холодных моделях шахтных печеи, выполненные с целью про
..
верки адекватности математическои модели реальному. полю
течения. ЭТй исследования показали уДОвлетворительное. .соот-
,ветствие результатов расчета и опытов, подтвердив тем самым'
правильность физических предпосылок, заложенных в модеЛg
{22, 31, с. 69 7 4].
Интересная работа выполнена японскими исследователями 1
М. Хатано, М. Фукуда и К. Курита [31, с. 155 158]. Хотя
в смысле математическоrо описания движения rазов в слое их
работа не представляет ничеrо HOBoro, она важна и ориrинальна
в друrом отношении, а именно с точки зрения взаимосвязи
тазо. и rидродинамики доменной {Iлавки. Эти авторы, применив
модель ю. Радештока и Р. Ешара и использовав эксперимен
-тально найденную закономерность формирования поверхности
v
расплава в доменнои печи, тщательно проанализировали зави
v
rСИМОСТЬ локальнои высоты слоя жидких продуктов плавки от
'параметров дутья. Ими показано, что в- центральной части
больших доменных печей (например, объемом 5000 м 3 ) уровень
-расплавов rораздо выше, чем в периферийной. При некоторых
. режимах работы печи возникают ситуации, коrда средний ypo
, вень жидких фаз превышает уровень воздушных фурм. В этих
условиях чрезмерное снижение расхода дутья (сброс дутья),
'выполненное по тем или иным причинам, приведет к заливанию
воздушных фурм шлаком. К аналоrичному эффекту приведет
'И случайный продув (уход ropHoBbIX rазов через образовав
шийся канал).
'28
Проверив адекватность модели сопоставлением результатов
расчета с экспериментальными данными, полученными на опыт
ной установке, авторы [31, с. 155 158] рассчитали средний
u u
. уровень жидких продуктов' плавки для промышленнои доменнои
печи. Найденные величины оказались хорошо скоррелирован
ными с наблюдаемым количеством чуrуна и шлака в ropHe дo
м нной печи, определенным по материальному балансу. Это
позвОлило авторам после обработки результатов вычислений
ПОЛУЧИТь относительно простое выражение, связывающее ниж
u u
нии перепад давления, порозность слоя в нижнеи части ДOMeH
ной печи, расход (объемный) rазов в заплечиках и средний
уровень расплавов.
,J',' ИЗ сказанноrо видно, что расчеТ'но теоретические .исследо
вания rазомеханики слоя имеют более широкие возможности
u
для выяснения влияния режимных параметров на ход доменнои
печи, нежели экспериментальные методы. Помимо ответа на
u "
конкретныивопрос, сти:мулцрующии решение задачи, исследо
ватель получает возможность rлубже проникнуть в физику про
цесса. Вместе с тем следует отметить, что почти все выполнен
/
ные к настоящему времени расчеТ I рассматривают движение
rазовоrо потока в шахтах сравнительно простой конфиrурации,
без фурменноrо подвода дутья. Ряд моделей несвободен от
недостатков, которые вызывают недоверие к результатам, полу
ченным при их помощи. Наибольшей полнотой характеризуется
математическая модель движения rазов в слое, предложенная
'.В работах [22.; 31, с. 69 74; 53; 54]; необходимо только усилить
u
ее путем учета закономерностеи движения шихтовых материа
лов и образования фурменноrо очаrа.
Общая постановка задачи о движении 2аза в слое
атематическое описание движения потока rаза в слое KYCKO
БЫХ материалов сопряжено с большими трудностями. Исполь-
зование известных уравнений HaBьe CTOKca в данном случае
не преДGтавляется возможным из за сложной конфиrурации ка-
налов для прохода rазов, которая к тому же заранее неизвестна.
С друrой стороны, широко распространенную среди rидротехни
ков методику перехода к фиктивным скоростям (скоростям
фильтрации) применительно к условиям доменных печей нельзя
u
признать удовлетворительнои, так как от параметров динамики
rазов (скорости, давления, температуры) зависит интенсивность
протекания процессов тепло и массообмена.
Проблема, таким образом, состоит в том, чтобы получить
уравнения движения rаза в слое, связывающие среднюю CKO
рость rаза в межкусковом пространстве (истинную скорость),
ero действительное давление и температуру. При этом, eCTeCT
венно, должны выполняться уравнения сохранения массы, количе
ства движения и энерrии. По видимому, реш ние'вышеуказанной
29
проблемы должно быть основано на достижениях современ-
.. ..
нои теории сплошнои среды с использованием параллели между
..
течением rаза в слое и движением rипотетическои жидкости,
занимающей весь объем аппарата, включая и объем кусковых
материалов.
Формулировка задачи. Физическая формулировка задачи
состоит в следующем. В шахтную печь xapaKTepHoro размера D
(средний диаметр цилиндрической или ширина' прямоуrольной)',
заполненную шихтой с порозностью Е === Е (х, y z; 't), через фурмы
вдувается rаз. Фурмы диаметром d ф выдвинуты от внутренней
поверхности кладки печи на расстояние [ и отстоят от зеркала
расплава на [1 м. В общем случае ось фурмы составляет с плос-
костью rоризонта уrол , а профиль печи может быть перемен-
ным. Требуется определить скорость, температуру и давление
в любой точке слоя, если задан расход дутья Уд (или ero
давление рд), а также давление на уровне заСblПИ.
Выделим в слое элементарный объем V м 3 . rаз в этом объеме
занимает V' м З . Если плотность ero р кrjм З , то масса rаза
в выделенном объеме составит р V' Kr.
Рассмотрим баланс массы в элементе объема v. Изменение
массы rаза ,в этом объеме равно
:.с S р dV' === S (р )dV .\ (ре) dV, (2)
V' v V
rде Е средняя порозность слоя в. объе е dV:
dV' 1 r
е == d V == dV .J е л dv,
dV
а Ел локальное (местное) значение порозности.
С друrой стороны, изменение массы равно ее потоку через
поверхность S' объема У', причем полный поток массы в этом
случае составляет
(
(3)
j (р;) iSi === f (р;)( ) dS 1 (реп;) dS.
..
(4)
" . Здесь Еп=== (dS'jdS) просветность слоя.
Учитывая таКже действие внутренних источников (стоков)
массы мощностью Qv, после преобразования поверхностноrо
интеrрала в объемный по формуле rаусса Остроrрадскоrо IJO-
лучим
Н (ре) + v · (реп;) qv] dV ===0,
v
откуда из-за произвольности объема V находим
, : (ре) + v · (реп;) ===qV.
(5)
30
Интересно сопоставить выражение (5) с уравнением нераз
рывности rипотетическоrо сплошноrо потока (см., напри
мер, [66]):
др* ( ... )
+ v. p*v* ==qv.
(6)
Леrко видеть, что соотношения (5) и (6) становятся эквива.
лентными, если выполняются равенства
... ...
р* ==ре; v* == (еп/е)v. (7)
Выражения (7) имеют определенный физический смысл.
Дело в том, что такие понятия, как ПЛQТНОСТЬ, вязкость, тепло.
проводность и скорос.ть rипотетическоrо сплошноrо потока, при
менительно к слою ' меют чисто вероятностное содержание6
rеометрическая конфиrурация слоя характеризуется стохастиче
ской функцией координат а (. i) , ,которая по определению равна
единице в точке Xi, лежащей в области, занятой rазом, и нулю,
если точк i попадает ВНУТр.ь одной из твердых частиц. Оче
видно, невозможно найти функцию а (Xi) для любой системы;
однако можно измерить некоторые корреляции. Например,
порозность с оя
е == s а (Хд dV === (а (X l ».
. v
(8)
Здесь < > символ математическоrо ожидания величины.
Двухточечную корреляцию можно определить следующим
образом:
F(rд === (а (x i ) а (хi+rд).
(9)
В предельном случае, Kor да r i становится малым, функции
a(Xi) и a(Xi+ri) с большой вероятностью' совпадают. Тоrда
Нт F (r i ) ==-е. (10)
ri...O
Напротив, если 'i велико, корреляция исчезает, т. е., зная вели
v v
, чину а в однои точке, нельзя предсказать ее значение во второи.
Поэтому
Нт F(ri)== (а (x i ) а (хi+rд> ===е 2 . (11)
Т....оо
t
Отсюда видно, что функция F(ri) служит мерой вероятности
Toro, что Две точки слоя, разделенные расстоянием I'i 1, нахо.
ДЯТСЯ внутри потока.
Для ряда предельных случаев можно записать значения
трехточечноrо среднеrо:
Q (r i , T ) ===(а (Хд а (xi+r i ) а (x i + Т;).
31
Например:
eF(r i )
eF(r;)
а (r i , r )== 3
€
t F(rj)
,
при ri ---+ 00, r i < 00;
,
при r i 00, ri < 00;
при r i , r;, I r i r 1---+ 00;
I
при ri ---+ О, r i < 00.
Задача состоит в том, чтобы, используя такое частное опи
..
сание rеометрии слоя, наити cTporoe оrраничение сверху на
эффективные значения плотности, вязкости и друrие xapaKTe
..
ристики сплошнои среды, определяющие протекание процессов
тепло и массообмеН8. '
. Тщательный анализ такой задачи примеflительно к процессам
массообмена впервые провел С6 Прэrер {65]. Используя принц п
минимума возрастания энтропии, он наряду со мноrими интерес
ными результатами получил и соотношения, аналоrичные (7).
Таким образом, содержание равенств (7) заключается в сле
дующем. Для описания процеtсов, протекающих в слое, B03'
u
можно использование уравнении, полученных для сплошнои
среды, если известны эффективные значения ее теплофизических .
парамеТРОВ6 Совер;шенно очевидно, что эти значения не равны
значениям параметров реальноrо rаза. Следует также подчерк
нуть обстоятельство, вытекающее из вышеизложенноrо, что
любая математическая модель -Движения rаза в слое описывает
закономерности изменения среднестатис!ических характеристик
поля течения.
При выводе уравнений движения обычно принимают в каче
стве постулата принцип напряжений Коши [66], утверждающий,
что для любой замкнутой поверхности Q существует распреде
--+-
ление вектора напряже:н;ий t с результирующей и моментом,
..
эквивалентными полю сил, деиствующих на сплошную среду,
заключенную внутри Q, со стороны среды, расположенной вне
этой поверхности. При этом предполаrается, что в данный MO
--+- .
мент времени вектор t зависит только от положения и ориента
ции эл,емента поверхности dS; друrими словами, если обозна
чить через ;, внешнюю нормаль к поверхности Q, то 1 t (;, 't, ). .
Напомним теперь основной принцип динамики движения'
жидкости, называемый принципом сохранения количества дви
жения [66]: скорость изменения количества движения жидкости,
заключенной в движущемся объеме , равна результирующей
v
сил, деиствующих на эту жидкость.
Аналитическим выражением этоrо принципа явля тся ypaB
нение
d S S А:,--+-
d't p*v* dV === р*! dV +:r t* dS,
(12)
32
--+- "
rде через f обозначено пол,е в ешних 'сил, отнесенных к единице
массы.
Поскольку для произвольной -функции F == F (;, 'с)
: S pF dV == S р dV,
11 . 11
то уравнение (12) можно записать в виде
S d; 5 1 -+
р* d-C* dV === р*! dV + t* dS.
v v
(13)
Здесь интеrрирование по движущемуся объему' заменено
интеrрированием по неподвижному объему V с поверхностью 86
Выражение (13) справедливо для сплошноrо потока жид
кости. Чтобы ero можно было использовать для анализа дви
жения rаза в слое, последнее необходимо свести к течению
rипотетической жидкости, заполняющей весь объем слоя. Tpyд
ность здесь заключается в том, что требуется сохранить истин
ные значения скоростей и давления.. По видимому, основой для
дальнейших преобразований в данном направлении может слу
жить требование локальноrо равенства массо:воrо расхода через
элемент объема dV реальноrо rзза и rипотетической жидкости,
. u
также локальноrо . равенства сил, деиствующих, на rаз и
жидкость.
Рассмотрим с этих позиций подынтеrральное выражение
первоrо интеrрала правой части уравнения (13). Единственной'
u u .
внешнеи силои в нашем случае является rравитационная, т. е. 4
'... -+ -+
f g6 Тоrда p.gdV представляет собой силу тяжести, действую
щую на p*dV Kr rипотетической жидкости в объеме dV. Но
в объеме dV содержится pdV' Kr реальноrо rаза6 Поэтому,
учитывая требование локальноrо равенства сил, действующих
на жидкость и rаз, можно записать
-+ ...... -+
, p*g d,V == pg dV' == pg (dV' /dV) d.V == p.eg dV"
(14)
откуда получаем уже известное равенство р* =::: ре.
Второй интеrрал правой части уравнения (13) характери
u
зует влияние сил, деиствующих на rипотетическую среду
в объеме V, оrраниченном поверхностью S, со стороны жид
кости, о:в:ружающей этот объеМ6 Можно показать {66], что вектор
--+-
напряжений t." представляет собой скалярное произведение
......
-+ ......
вектора внешней нормали n и тензора напряжений Т." с матри
цей коэффициентов Т .ij. С друrой стороны, тензор напряжений
... ......
...... ......
т * выражается через теНЗ0р. скорости деформации D*,
3 Заказ М 97
33
. термодинамическое давление Р* и скорость течения жидкости
-+
V* соотношением
f* ( р*+л* dlv;J Т +2\1Д5*. (15)
-+
.....
Здесь 1 единичный тензор;
J.t* коэффициент динамической вязкости;
Л* второй коэффициент вязкости;
.........
D." тензор скорости деформации с компонентами
1 ( д'V*i д'V*j ) о
D*ij==T дх. + дх' · (16)
, J t
Таким образом:
7.. dS ;f* dS ( р*+л* dIV;J пТ dS +2\1*п5* dS.
Но внутреннее произведение единичноrо тензора и вектора дает
..
исходны и вектор, поэтому
.......
1 Т* dS 1 p);dS +1 Л* div ;*n dS+21 \1*пЕ* dS.. (17)
Первый интеrрал правой части выражения (17) характери
зует силу давления, действующую на поверхность S объема V
со стороны окружающей среды. В слое, сила давления. действует
на меньшую поверхность S', равную S' == 8 п S. Проводя локаль"
ное осреднение, получим
1 p*ndS 1. pndS' 1 реп; dS } grad (pen).dV. (18)
Т. е. Р*==РВп. Здесь мы воспользовались частным случаем фор
мулы rаусса Остроrрадскоrо.
Второй интеrрал правой части уравнения (17) отражает
влияние объемной деформации (сжимаемости) на движение
tипотетической жидкости. Входяrцая в этот интеrрал диверrен
дия скорости представляет собой отношение разности между
ВХОДЯЩим и выходящим потоками через поверхность S
к объему V, оrраниченному этой поверхностью, коrда послед
..
, нии стремится к нулю, т. е.
;*;dS ;;dS'
di -+ 1 . s 1 . S' .
vV*==lm у ==lm У'
V'-+O V'-+O
ф -+-+
Еп'V п dS -+
o .V div (env/e).
-+ .....
Отсюда получаем уже Известное соотношение V*==Вп V / В .'
34
с друrой стороны, соrласно требованию' равенства сил, дей;
u
ствующих на rипотетическую жидкость и реальныи rаз, имеем
Ф А*' div ;*n dS == Ф А div (еп:;fе) ; dS' === cf) епА div (еп:;fе) dS ===
S S'
S grad r епА div (еп;fе)] dV ·
v
(19)
I
Последний интеrрал правой части (17) характеризует влия
ние скорости деформаци ' сдвиrа и линейной деформации на
движение жидкости. Поскольку деформация :сдвиrа связана
u
С возникновением касательных ,напряжении на rранице раздела
жидкость .твердое тело, ТО' представим поверхность S. в виде
суммы S' +Sвп, rде S', как и paHee, площадь просветов Bыдe
ленноrо объема V (т. е. S' ==вп S ) , а SB поверхность сопри
косновения rаза и частиц материала слоя. Тоrда
........
ф {1*';n* dS == Ф {1; n dS' + Ф (J-п jj dS BH == Ф еп(J-;; n ds +
S S' SBH S
+ Ф 11-; в dS ви S div (601175) dV + S R dV. (20)
S v v
..J Второе лаrаемое правой части выражения (20) представ
ляет собой дополнительное сопротивление проталкиванию rаза
через слой. При современном уровне развития знаний не80З
можно выразить ero в квадратурах, поэтому единственНым спо
........
собом определения значений R ,является эксперимент. Ясно,
однако, что сопротивление R должно быть однозначной функ
........ ........ '
цией пор зности слоя, т. е. R==R (1 в), так как при отсутствии
, ........
твердых частиц (в== 1) величина R == O.
Объединяя выражения (18) (20), получим следующее ypaB
нение движения вязкоrо сжимаемоrо rаза в слое:
d ( -+ ) -+
€p. €nv/e ===ерg grаd(епр)........
+ grad r 6011 div (60;/6)] + 2 div (601175) + R.
(21)
Здесь мы полаrали, что справедлива rипотеза r. Стокса:
2
Л== З'J1 [66].
'Обычно принимают, что средние значения просветности
в п И порозности В равны 'между собой. Заметим, однако, что
это предположение оказывается справедливым, если осреднение
осуществляется по всему объему слоя, т. е. если структура слоя
3*
35
однородна. В более общем случае для слоя, состоящеrо из сфе
рических частиц, имеем
( ) ( 1...... . 1:: ) [ 1 ........ '1t ] 1
s тах 4 51" 6 6 (1 ..... cos 6) V 1 + 2 cos е '
rде е уrол ромба, представляющеrо rpaHb OCHoBHoro ромбо
эдра; величина е характеризует укладку шаров слоя по эле
менту из восьми шаров и изменяется от 600 (наиболее плотная,
укладка) до 900 (наименее плотная укладка).
В работах Б. С6 Фиал ков а [3] (см. также вышеизложенное)
показано, что уrол е является сложной функцией rрадиента
скорости движения шихтовых материалов. В данном случае,
однако, положим, что е cy ъ известная функция координат.
Уравнение энерrи выводится аналоrичным изложенному
выше способом. Здесь только необходимо ДQполнительно учесть
два обстоятельства. Во первых,' перепое тепла теплопровод
ностью осуществляется не только в rазе, но и от rаза к поверх
ности частиц материала. Поскольку для оценки этой последней
..
составляющеи теплопереноса нужны закономерности. раз .
вития тепловоrо и динамическоro поrраничных слоев, т. е. aHa
.......
литическое выражение функции R, то целесообразно заменить
это слаrаемое законом Ньютона для теПЛООТДачи конвекциеи. (
....
И, BO BTOpЫX, наличие дополн;ительнои силы сопротивления R
в уравнении движения приводит к появлению в уравнении энер
rии еще одноrо слаrаемоrо, характеризующеrо переход механи
ческой энерrии в тепловую. Опуская промежуточные выкладки,
. ..
запишем окончательныи результат:
epc'll : === epq R + div (€ПА grad т) a'll (Т t) €n Р diV( En;", е )
; SntJ- [diV (€n;/в)]2 +2е п р. D j+ q;. (23)
i. J
Здесь qR ско'рость притока тепла за счет излучения; q;
источник (сток) тепла, действующий в rазе. Это слаrаемое, как
u
отмечено выше, включает также диссипацию механическои
u
энерrии, происходящеи на поверхности частиц материаЛ2.
Для замыкания системы необходимо добавить уравнения:
состояния rаза
(22)
р === f (Т, р);
(24)
HarpeBa кусков материала
dt
(1 ...... е) РмС м (ft ;::::; rJ. v (Т t) + q м ,
(25)
а также закономерности изменения вязкости и теплопровод
ности rаза
p.===t-'-(T, р); л ===Л (Т, р).
(26)
36
Для движущейся шихты, как было отмечено ранее, необхо
"
ДИМЫ еще Два уравнения: уравнение для скоростеи материала
и выражение, описывающее изменение уrла е (Т6 е. пороз ости'
и просветности). В случае поршневоrо движения шихты надоб
ность в указанных уравнениях отпад ет, так как мноrочислен
ными исследованиями показано, что при этом порозность слоя
не зависит от скорости движения материала, хотя и отличается
от порозности неподвижноrо слоя [4, 34]. Заметим, однако, что
u u
для условии доменноrо процеС.са поршневои режим движения
материала не типичен.
Таким образом, еизотермическое движение вязкоrо сжимае
u
Moro rаза в слое KycKoBoro материал описывается системои
уравнений (5), (21) и (23) (26).
Анализ урав"ненuй движения zаза 8 слое. Закономерности
движения rаза в слое и сплошноrо потока имеют одинаковую
физическую природу. Поэтому естественно ожидать, что в пре-
дельном случае «разрыхления» слоя (точнее сказать «вырожде-
ния»), при 8---+ 1, уравнение (21) трансформируется Б уравнение
HaBьe CTOKca для сжимаемой жидкости переменной ВЯЗКОСТИ6
.......
С учетом замечания о силе сопротивления R это действительно
так.
Несколько хуже обстоит дело с определением величины силы
.......
сопротивления R. В настоящее время лишь для крайне редких
случаев предельно простой к.онфиrурации поровых каналов
удается выразить вектор R в виде аналитической функции
скорости rазов v и rеометрических параметров пористоrо тела
[67, 68]. Нам известна только одна работа [69], в которой пред
, .
принята попытка рассчитать R для слоя шаров, используя
. приближение ячеистой модели. Эту попытку, OДH KO, нельзя
признать удачной, поскольку при решении задачи М. эль.Кэйзи
и ДЖ. М. Хомси ПРИН,имали столь существенные упрощения (ну-
левая завихренность, наличие свободной поверхности и т. д.), что
эТо привело к достоверности их результатов в узком диапазоне
чисел Рейнольдса, рассчитанных по скорости фильтрации
(Re< 10) [69]. По сути дела, авторы [6-9] рассматривали лами.
u ' v
нарныи режим движения rаза в слое, весьма нехарактерныи
для условий доменной плавки. Кроме Toro, для Re< 1 О можно
более простым и методами показать, что R описывается законом
Дарси [68].
В связи с отмеченным представляется вполне естественным
u
стремление исследователеи к экспериментальному определению
силы сопротивления «проталкиванию» rаза через слой. Типична
в этом .отношении уже обсуждавшаяся зависимость С. Эрrана
,
....... ( 1 Е ) 2 lJ. -+ ( 1 Е ) Р -+
Яl === grad р === 150 еdкФ . 7 vo+ t, 75 еdкФ '"s2 qoVo.
37
.......
Далеко не очевидно, однако, что векторы R и Rl характери
зуют одну И 'ту же силу сопротивления. Не известно и в каком
соотношении они находятся. Чтобы отв-етить на этот вопрос,
. . . u \
про анализируем методику установления зависимостеи типа
уравнения (1)6
..
Прежде Bcero следует отметить, что исследования проводят большей
частью на цилиндрических моделях шахтных печей при 20 0 С [30, 34]. При этом
слой имеет относительно малую высоту и с целью обеспечения одинаковой
порозности по всему объему в ряде случаев выкладывается вручную. Прини
маются специальные меры для достижения предельно возможной paBHOMep
ности распределения потока rазов на входе в слой и устранения пристенноrо
эффекта. Вследствие этоrо движение rаза в экспериментальной установке
становится одномерным, причем плотность и вязкость rаза практически по
стоянны. Заметим также, что скорости потока не измеряют а вычисляют по
уравнению vo== Vд/S, rде V д и S расход rаза и полная площадь попереч
Horo сечения устаНQВКИ соответственно. )Хавление rаза до слоя и после Hero
измеряется (каждое) чаще Bcero в одной точке на Т,аком расстоянии, от слоя,
при котором есть основания ,полаrать ero независящим от координаты по
радиусу аппарата; иноrда результаты измерения давления специально ocpeд
няются. Наконец, все опыты выполняют в условиях установившеrося режима.
Если в уравнении (21) перейти к цилиндрическим координа
oi
там, направив ось z вдоль п,отока rазов, то для условии прове
дения экспериментов, коrда вп==в==соnst (здесь черта означает
осреднени.е), получим
др 1 д ( дvz ) .
pg + 'L r + R ===0
, дz r r дr дr ,z ,
(27)
или с учетом постоянс,-ва плотности rаза
:z (p+pgz) ==Rtz==Rz+l'-+ :r (r д;: ). (28)
Если выполняется условие идеальной разномерности распре
деления rазов по поперечному сечению установки (dvz/dr:= О),
....... ,
то векторы R и Rl .становятся идентичными; необходимо только
в формуле С. Эрrана под p понимать не изменение статиче
cKoro давления:, а потери пьезометрическоrо напора. В случае
же реальноrо rазораспределения следует учитывать, что экспе
риментально найденная сила сопротивления .включает в себя,
........
помимо R, также силы Бязкостноrо трения, действующие
в объеме rаза.
Поскольку в соотношении (1) фиrурирует средняя (pacxoд
ная) скорость, то осредним уравнение (28) по площади попереч
HOfO сечения установки:
R R
2 r д . 2 r
R2 J (р+рgz)rdr R2 J R 1Z r dr===
о о
R R
:.J Rzrdr+1'- :. J+ :r (r д:: )rdr,
38
откуда '
, 2 ( дvz ) ' 2
Rlz==Rz+ R [.1 дr r==R ===Rz+"J[ "Со,
(29)
rде '{о касательное напряжение rаза на стенке установки.
Нетрудно заметить, что и при таком подходе к уравнению
........
с. Эрrана результат анализа остается прежним; вектор Rt,
помимо сил трения rаза о поверхность частиц материала, учи.
тывает и силы вязкостноrо (BHYTpeHHero) трения rазов. Соотно.
теиие (29) дополнительно указывает, что описание пристенноrо
течения требует специальноrо учета ero особенностей. Здесь
можно применить ориrинальную; методику, предложенную
ю. А. Буевичем и r. А. Минаевым в работе {56].
Таким образом;' использование для оценки сопротивления
экспериментальных соотношений типа (1) приводит к следую.
щему равенству:
2
( 1 s ) 2 Ео-+
Rt=== grad (€пР +€pgz) === 150 ЕdкФ [.1 е v
1.75( Z; )p Bв ( I;I};==R+2diV(е,,[l-15). (30)
,Следовательно, уравнение движения (21) упрощается и при.
ни;мает вид , .
d ( , -+ ) 2 [ ( -+ )]
ер d-c sn v /€ === €pg grad (€np) 3 grad €ot-'- div €пvj€ I
2
[150( ; ) [l-+1.75p в; 1;1]( ; ) Ssп ;,
(31)
Заметим, что вместо соотношения с. Эрrана можно исполь.
зовать любую друrую экспериментальную зависимость (см.,
например, работы [30, 32]).
,Переходя к. уравнению энерrии (23), отметим, что первые
..
три слаrаемых ero правои части характеризуют три вида тепло.
передачи: излучение, теплопроводность и конвекцию. В MHoro.
,численных работах показанр, что для условий работы доменной
печи .теплопроводностью rазов можно пренебречь [70]. Обычно
, U
теплопроводность rаза полаrают равнои нулю в направлении
ero движения и бесконечности поперек потока. Вследствие
малости эффективной длины луча и большой ослабляющей спо.
собности запыленных доменных rазов можно не учитывать
также и лучистый перенос. Это допущение тем более обосновано,
что коэффициент теплоотдачи av определяют, как правило, экс.
периментально. По этой причине трудно поддающаяся расчету
u
лучистая составляющая оказывается включеннои неявно в CXv
через зависимость последнеrо от температуры (см., например,
работы [70, 71]).
39
.Последующие три слаrаемых правой части '(23) описывают
работу сил давления и диссипацию механической энерrии (аэ-
родинамический Harpea) 6 Эти величины становятся соизмери-
мыми с конвективным теплопереносом лишь при до- и сверхзву-
ковых скоростях. В доменной печи таких скоростей нет, значи ,
без ущерба для точности расчетов, эти слаrаемые можно от-
бросить.
Таким образом, для условий тепловой и rазодинамической
работы доменной печи уравнение э'нерrии (23) трансформи-
руется к тщательно проанализированному В литературе [70, 71]
уравнению теп.цовоrо баланса:
dT
spc v d === ctv (T........t)+qr' (32)
rде qr источник (сток) тепла, обусловленный физико-химиче-
скими реакциями, протекающими в rазе6
Наконец, отметим еще одно обстоятельство. При BЫBoдe
u
уравнении ДВИ1Кения и энерrии широко использована известная
'из теории поля теорема rаусса Остроrрадскоrо, доказанная
для односвязных областей. В то 1Ке время слой предсrавляет
, собой существенно мноrосвязную область BeKTopHoro поля и по-
этому применимость в данном случае теоремы raycca OcTpo-
rрадскоrо нуждается в обосновании. Не вдаваясь в детали ма-
u .
тематическои стороны вопроса, заметим, однако, что, во-первых,
введением условных (мысленных) поверхностей, не изменяющих
характера течения, МО1Кно превратить реальную мноrосвязную
область в односвязную и, во-вторых, можно вывести указанные
уравнения, не пользуясь теоремой rаусса Остроrрадскоrо, пу-
тем анализа балансов массы, импулъса 'Н энерrии элементарноrо
объема слоя в виде парал.лелепипеда [22].
Расчет полей скоростей и давления zаза 8 слое
При изучении движения rазов через слой кусковых материалов
' u
приходится иметь дe o с двумц типами проявления вихревои
природы 'потока:' .
1) микрозавихренностью, т. е. с вихрями, масштаб которых
соизмерим со средними размерами ме1Ккусковоrо пространств<!,.
(порядка диаметра частиц слоя). Появлени'е этих вихрей все-
цело обусловлено трением rаза о поверхность частиц;
2) макрозавихренностью, т. е6 с вихрями, . масштаб которых
соизмерим с рабочим объемом печи. Эти вихри обусловлены
rеометрией рабочеrо пространства arperaTa (профилем печи),
наличием фурменных очаrов (зон циркуляции) и Т6 п.
Оба эти типа завихренности учитываются уравнением дви-
1Кения (21). Однако, как БЫЛQ отмечено выше, невозможность
-+
задания силы сопротивления R в виде аналитической функции
приводит к необходимост использовать эмпирические соотноше-
40
ния типа уравнения с. Эрrана, Т6 е. к замене уравнения (21)
полуэмпирическим выражением (31). Разумеется, замена одноrо
u
уравнения друrим не меняет природы потока которыи остается
вихревым. В то же время возможности матеМатическоrо моде-
лирования движения rаза в слое, которое предоставляет урав-
нение (31), существенно изменились. Следует отдавать отчет
в том, что уравнение (31) описывает лишь макрозавихренность
(крупномасштабные вихри), так как учет микрозавихренности
уже содержится в соотношении с. Эрrана.
При решении уравнения (31) возникает вопрос, насколько
существенно крупномасштабные вихри влияют на закономерно-
сти движения rаза в слое и каковы источники их возникновения
в домедной печи? Существуют ли вихри вообще, если слой яв-
ляется недеформируемым?
Прежде Bcero отметим, что, соrласно теореме Лаrранжа [66],
вихри не MorYT образоваться внутри области движения: они
либо вносятся в нее, либо формируются на ее rраницах. Обра-'
зование вихрей на rранице течения обусловлено явлением прили
пания, т. е. наличием касательных напряжеНИЙ6 С друrой сто-
роны, з;адание условия прилипания в качестве rраничноrо при
решении уравнения движения возможно лишь в том случае,
коrда ЭТо последнее имеет второй порядок. Нетрудно заметить,
что выражение (31) является дифференциальным ура,внеnием
в чаGТНЫХ производных BToporo порядка блаrодаря слаrаемому
. --+
grad [BnJ.1. div(впv/е)], характеризующему сжимаемость потока.
В условиях доменной плавки изменения. температуры и дав-
u .
ления оказывают противоположное воздеиствие На изменение
плотности rаза6 Прямым расчетом можно установйть, чТо при
движении rаза от среза 'фурмы до уровня эасыnи l1ЛОТНОСТЬ ero
увеличивается менее чем на 30 о/о; локальное изменение плотно-
сти во MHoro раз меньше. Иными словами, слаrа'емое grаd[епf.t х
..,»-
Хdiv(впv/в)] пренебрежимо мало во всем объеме слоя, исклю-
чая, быть может, область фурменных очаrов. Косвенным под-
тверждением этоrо вывода являются результаты расчетов ю. Pa
дештока и Р. Ешара, показавп;IИХ, что вплоть до Re== 10000 ежи"
маемость потока не влияет на' закономерности течения.
Внесение вихрей в область движения обусловлено вихревым
характером течения rаза через фурму. При поступлении rаза
в развитую зону циркуляции завихренность потока может уси-
литься. Однако если rаз из фурмы истекает в плотный слой,
то первоначальные вихри быстро rасятся.
Таким образом, теоретический анализ показывает, что наи-
более крупным источником завихренности потока rаза в домен-
ной печи яgляется область фурменноrо очаrа. В большей части
объема слоя движение rазов с высокой степенью точности можно
считать безвихревым; заведомо безвихревым (в макроскопиче-
ском смысле) оно будет в недеформируемом слое.
41
Специально выполненные исследования подтвердили эти за
ключения. Опыты проводились на экспериментальной установке,
состоящей из шахты (ширина 300 мм, толщина 24 мм, высота
600 мм), фурмы и патрубка с иrлой для ввода красителя
в фурму. Модель была выполнена из орrаническоrо стекла, что
обеспечивало возможность фОТО и киносъемки при проведении
исследований. В качестве моделирующей среды использовали
воду, расход которой измерялся с помощью U образноrо дифма
нометра. Для трассировки потока применяли анилиновый Kpa
ситель.
Опыты ПRОБОДИЛИ как на пустой, так и на заполненной Ma
териалом модели в диапазоне расходов воды 3 5,6 м 3 /с. При
этом максимальное значение критерия Re в заполненной K{)
рундовыми шарами шахте (Е == 0,4; d}( == 5,8 мм) достиrало 450
(скорость рассчитывали Ila пустое сечение шахты).
Результаты мноrочисленных экспериментов показали, что
крупномасштабные вихри в слое не образуются (поскольку ли
нии тока не замкнуты) до тех пор, пока слой остается недефор
мированным, т. е. пока не возникает околофурменная полость.
Аналоrичные результаты получены А. rиrлионе, В. Джиор
дано, А. Милани и r. Кьюнтилиани {31, с. 51 60] при изучении
u u
инжекции топлива в шахту доменнои печи трассировкои инжек
тируемоrо топлива жидким хлором.
Потенциальное (безвихревое) движение саза. Скорость. д!3и
u
жения ra30B в доменнои печи относительно велика, поэтому
.. ..
в каждыи данныи момент успевает установиться локальное paB
новесие. Это означает, что частными производными параметров
по времени в уравнениях неразрывности и движения можно пре
небречь и рассматривать движение rаза как установившееся.
Тоrда указанные уравнения примут вид
V .' (рsп;) ==0;
ps(;v) (sп;/8)===8рg V(sпР) +V · r8п V (Sп;/8)]
(33)
"
--+
(аl +a2q) "'6
(34)
Здесь V дифференциальный векторный оператор,
-; д 7 д --+ д
V === t дх + J ду + k дZ" ;
-+ --+--+
i, j, k единичные векторы координатноrо базиса;
q модуль вектора с корости rаза ,
1 -+ 1 (-+ -+ ) 1/2
q === V === \ v . v ==== V u 2 +v 2 +w 2 ;
( 1 е: ) 2' e: ( 1 е: ) ( E ) 2
аl === 150 е:dкФ 7; а2 == 1, !5 Еdкф рЕп, ·
42
Математическим условием отсутствия завихренности является
--+ --+
соотношение ..fot, v == V v === о.'
Из теории поля известно, что если это условие выполняется,
то существует такая скалярная функция <р (х, у, z), rрадиент
--+
..
которои равен скорости V, т. е.
--+ ( --+ дер -+ дер -+ дер )
v=== grad == v,?=== i дх +j ду +k дz
(35)
(знак «минус» означает, что поток движется от большеrо по
тенциала ер к меньшему). .
Подставив (35) в (33), получим уравнение для отыскания
потенциала ер:
:х (РЕп ) + :у (РЕп ; ) + :z (РЕп ; ) o. (36)
Компоненты скорости rаза ра считывают по известному полю
.,
<р при помощи соотношении
U=== д, . v дер 6 W ' . ( 37 )
дх ' ду' дz ·
Зная значение скоростей, нетрудно определить на
урав'нения движения давление rаза. Для безвихревых
уравнение (34) принимает вид
grad (SпР) РSп grad (q2/2) + ре; (; grad (еп/е») +
+ grad [ Sпt1 di'T ( sп-';jе )] + (аl +a2q) -;. epg.
основе
..
течении
(38) .
Сложность расчетов по уравнениям (36) (38) заключается
в том, что для вычисления потенциала q> требуется знание. плот
ности -р, которая в свою очередь зависит от давления. Давление
... '
можно определять и по полям скорости v и плотности р. ECTeCT
венным выходом из поло}кения является использование ите
.,
рации.
Первоначально все физические параметры rаза (р, J.t) и слоя
(Вп, В) принимают постоянными. В этом случае (36) сводится
'к уравнению Лапласа
д 2 ер д 2 ер д 2 ер
V 2 ,? дх2 + ду2 + дz 2 ===0. (36а)
,Это уравнение решается численно методом последовательной
верхней релаксации (ПВР) при следующих rраничных условиях:
на срезе фурмы ер == 1;
на уровне засыпи ер == о;
на rраницах области течения (aepjan) ==0, rде n нормаль
к rранице.
43
. По известному полю относительных значений потенциалов
пользуясь формулами (37), находят относительные скорости.
L{алее просчитывают среднее значение относительной скорости
v
на уровне засыпи и, сопоставляя ero с величином скорости,
. ,
найденной по соотношению w V д/ (пR2 вп ), rде V д и R pac
ход rаза и радиус печи соответственно, выводят коэффициент
перехода от относительноrо потенциала к действительному (раз
мерному) .
Затем приступают к численному решению уравнения движе
ния. Для потенциальноrо течения несжимаемой жидкости оно
существенно упрощается и принимает вид .
dH:::::: (аl +a2q) d'P. (38 а)
Р п
Здесь
Н ==(q2/2)+(p/p)+gz.
-+
Получив первое приближение полей р, (f), V и р, всю проце
дуру решения повторяют [но теперь уже используя уравне,НИЯ
(36) (38)] до тех пор, пока два последующих значения масси
-+
...
вов р, v и р не совпадут с заданнои степенью точнqсти.
В случае плоскоrо (двумерноrо) течения удобно использо
вать функцию тока '1', вводиму.ю соотношениями
д . д ( 9
p€n a === ду репv == дх ;. 3 )
При введении этой функции уравнение неразрывности тож
дественно удовлетворяется, а условие отсутствия завихренности
(ди/ду) (av/ax) ==0
приводит к соотношению
( ) + ( ) o (40)
дх рЕп дх ду рЕп ду .
rраничными условиями (40) служат выражения '1'==0 на
крайней левой линии тока; 11'== V д на крайней правой линии
тока; дф/дп== О на срезе фурмы и линии засыпи.
Здесь п означает направление нормали к линиям среза
фурмы и засыпи. .
Описанный алrоритм решения задачи был использован при
составлении nporpaMMbI применительно к ЦВМ «Минск 22» и
«Минск 32». На рис. 4 в качестве иллюстрации показана rазо .
динамическая сетка движения, полученная решением уравнений
(36) и (40). Построение rазодинамической сетки движеI:IИЯ
представляет собой одну из основных задач rазомеханики слоя,
v ... v
так как она является ОСНОВОН дЛЯ расчета полеи скоростеи и
давлений, а ее анализ позволяет получить общее представление
44
о движении rЭЗОВоrо потока. Как видно из результатов рис. 4,
линии q> и 'Ф образуют ОрТОI'ональную сетку, что. подтверждает
u
правильность вычислении и достат чную точность расчета.
Распределение скоростей и давлений rаза в сечении печи,
проходящем через ось фурмы, представлено на рис. 5. Сплош
ными линиями на этом рисунке показаны изобары. Стрелки
указывают на направление вектара скорости в данно.й точке
слоя, а их длина пропорциональна величине модуля скорости.
Отклонение векторов скорости от норм'али к линиям paBHoro
давления rоворит а значительном ВЛИЯЦflИ конвекти ных YCKope
ний (правой части уравнения (34) и аналоrичных ему) на xa
с::::>
.
"" """ ....... ""':i
<:::;.' с::::;
,
......- .
010 JOИ/С
РИс. 4. fазодинамнческая сетка ДBH РИс. 5. Распределение давлений н скоростей
жения сл'ое V д== 10 M 3 JC; цифры У кривых давле-
НИе. Н/м 2
рактер rазораспределения и необходимости их учета при реше
нии задач rазомеханики.
Роль конвективных ускорений. Как было. отмечено выше,
практически во всех известных математических моделях дви
жения rазов в слое уравнение движения., как таКОБое, не pac
сматривается [58 63]. Вместо Hero используют соотношение
С. praHa' в форме (1). Это эквивалентно отбрасыванию в ypaB
нении движения не только слаrаемоrо, о.писывающеrо сжимае
u u u
мость потока, но и канвективных ускорении rаза, т. е. всеи леваи
части выражения (31). Правомочность таких упрощений не оче
видна; более Toro, она вызывает серьезные возражения. В самом
деле, в области сильной искривленности потока силы инерции
(конвективные ускарения) в значительной степени меняют xa
u .
рактер течения, что. известно из теfCническои rидродинамики.
Влияние конвективных ускорений на закономерности течения
rаза в слое о.ценивали следующим абразом. Первоначально pe
шали систему уравнений (36) (38), причем сжимаемо.сть
45
Столь существенное влияние конвективных ускорений на за
кономерности движения rазов в доменной печи объясняется
структурой уравнения движения. Из выражения (38а) следует,
что .
d (f+gz) (al+a2q)drp d ( 2 ),
,
Т. е6 изменение давления в слое зависит не только и не столько
от соотношения между статическим и динамическим напорами
в данно,Й точке объема, но и от соотношения между их прира
щениями. Что же касается приращений, то можно отметить
следующее.
'в прифурменной области, как это следует из рис. 5, изме
нение динамическоrо напора может быть не только соизмеримым
.
с изменением статическоrо, но и значительно превьпцать ero.
В частности, из данных рис. 5 видно, что между точками ,объема,
обведенными кружками, d(pf.p) составляет ;'OIW' 900 м 2 /с 2 , В то
время как d (q2/2) 2000 м 2 /с 2 .
. Таким образом, кинетическая энерrия потока как бы из
меняет rраничные условия истечения из околофурменной зоны.
I10ЭТОМУ различаются поля скоростей и давлений и в областях
движения, достаточно удаленных от фурмы, хотя в них .и BЫ .
полняется условие d (р/р) d (q2/2) 6
Заметим, что уравнения (36). (38) удобнее и в чисто вычис
лительном аспекте, поскольку требуют для решения при оди
наковых условиях меньше машинноrо времени, нежели СИСТ МЫ
( 41 ), (43) и (44). '
Проверка адекватности .математической модели. С. целью
u u
оценки возможностеи математическои модел,и потенциалъноrо
'. u . u
. движения rаза в слое на холодно и модели прямоуrольнои шахт '
ной печи были проведены специальные опыты [64].
Скорости движения rззовоrо потока измеряли при помощи импульсноrо
термоанемометра специальной конструкции {52]. Датчик измерителя скорости
вводили в шахту через штуцеры, расположенные на ее стенке. По ширине
печи на каждом rоризонте измерения скоростей расположено пять таких
штуцеров. Через каждый штуцер по толщине слоя осуществляли замеры
в пяти точках. Таким образом, каждому полю скоростей соответствуют
200 измерений.
Давления в слое измеряли с ПОМОЩЬЮ пневмотрубки, присоединеннОЙ
к микроманометру типа ММН, позволяющей измерять напор rазовоrо потока.
В диапазоне расходов дутья, при которых проводили эксперименты, динами
ческий напор в большей части объема установки по сравнению со статическим
давлением пренебрежимо мал, и пневмотрубка нечувствительна к повороту
BOKpyr своей оси. Исключение составляет лишь область, непоср(!дственно
прилеrающая к фурме, rде доля динамическоrо напора весьма существенна.
В связи с этим можно считать, что показания пневмотрубки соответствуют
статическому давлению в данной точке слоя. При этом максимальная по.,.
rрешность в определении величины статическоrо давления не превышает
5 мм вод. СТ. при общем давлении 200 мм вод. ст. И более.
Характерные примеры распределения скоростей и давлений в слое, изме
ренных при помощи описанных выше приборов, приведены на рис. 8 и 9.
48
Номера кривых на этих рисунках соответствуют номерам rоризонтов заМе-
рОВ на экспериментальной установке, отсчитываемых снизу вверх (уровню
фурмы соответствует 11 1 rоризонт). .
в качестве материала, составляющеrо слой, использовали корундовые
шары, насыпная масса которых РН== 1,72 r/см З , порозность 8==0,4 и средний
диа11етр dl{ == 5,86 мм. Выбор столь тяжелоrо материала объясняется стремле-
нием смоделировать движение потока rаза, вытекающеrо из фурмы в неде-
формируемый слой. Наличие или отсутствие зоны циркуляции оценивали
визуально и акустически. Как правило, при экспериментах зона циркуляции
отсутствовала, однако начиная с HeKoToporo расхода rаза вблизи фурмы обра- '
зовывалась зона с повышенной (по сравнению с 8==0,4) порозностью.
1
4ОО
, м/с
500
J
300
'"
200
2
100
6
5
. 7 J
. .""
2
1
о
41 0,3 0,5 0.7 49
х/D
7
Рис. 8. Распределение скоростей
в слое при l!R O; dфIR о,О4; V д==
==125 м 3 /ч (1 7 номера rОРИЗ0НТОВ
замера)
0,1
0,3
0,5
О, 7
0,9
х/В
...... Рис. 9. Распределение давлений
в слое при l/R....O; d ф IR==О,О4; V д==
==125 м 3 /ч (1 7 то же, что и на
рис. 8)
о
"'
Bcero было проведено 20 опытов, различающихся значениями
расходы дутья, высова и диаметра фурмы. Затем для расходов
дутья и rеометрических параметров слоя и установки, имеющих
место в экспериментах, по уравнениям (36) (38) рассчитали
поля скоростей и давлений. Результаты расчетов сравнивали
с опытными да}IНЫМИ.
На рис. 1 О, а, б в качестве примера TaKoro сопоставления
u
предста лены распределения относительных значении модуля
скорости и относителъноrо давления по ширине эксперименталь
ной установки на различных rоризонтах от уровня фурм. Из
этих рисунков видно, что результаты расчета хорошо отражают
u
закономерности движения rазовоrо потока в модели шахтном
печи. Максимальная относительная величина расхождения опыт
ных и расчетных значений скорости составляет примерно 120/06
Заметим, что по мере увеличения Bыова'. фурмы различие данных
расчета и опыта возрастает и достиrает 20 25 О/о. Подчеркнем
4 Заказ N!! 97
49
также, что примерно те же цифры характеризуют и разли
чие абсолютных значений скоростей и давлений, полученных
в расчетах и экспериментах.
Анализ результатов сопоставления рассчитанных и измерен
u u u
ных значении скоростеи и давлении показывает, что модель по
тенциальноrо течения. rазов в слое может быть эффективно
использована при выборе оптимальных, с точки зрения paBHO
мерности rазораспределения, параметров rеометрии фурменноrо
устройства и шахтной печи (профиля шахты). Что же, касается
абсолютных значений скоростей и давлений, точное значение KO
fJ OтN
6
fOтH
1,5
1,0
0,5
Poтl1
J
Р ОтН
5
1,0
0,5
Рис. 10. 1( проверке адекватности математической модели потенциальноrо движения
rаза в слое:
а скорости; б давления; 1 rоризонт фурм; 2 70 мм над плоскостью фурм; 3
170 мм над плоскостью фурм. Сплошной линией показаны результаты расчета, пунк
тирной данные опыта
4
2
а
о
ав /> / R
2
1
о 5
о
08 r/R
торых необходимо для расчета процессов тепло и массообмена,
u
протекаюlЦИХ в доменнои печи, то для их определения следует
учитывать реальный, профиль СКQРОСТИ на срезе фурмы, измене
ние порозности в объеме печи и закономерности образования
фурменноrо очаrа. Иными. словами, требуется учитывать вихре
вую природу движения rазов в домеlIнОЙ печи. ' ,
Расчет сазомеханик;и слоя при наличии завихренности. Прин
u
ципиально расчет вихревых течении возможrн на основе ypaBHe
ний (33), (34). Практика показывает, однако, что этот способ
малоэффективен, поскольку численные схемы конечных разно
u
стен сходятся весьма медленно.
Ранее уже указывалось, что при анализе плоских или oce
симметричных течений переход от дифференциальных уравнений
для давления rаза (способ, принятый в работах [58 60]) к диф
ференциальным уравнениям для функции тЬка, использованный
В. Станеком и Дж. Зекели [61 63], существенно сократил время
счета (затраты машинноrо времени). Применительно к объемным
50
о
. 0.4
alt
..
задачам естественном ко векции в оrраниченном слое аналоrич
ный результат получен К. Азизом и Дж. Д. Хеллумсом [72]. Они
использовали векторный потенциал трехмерный аналоr функ
ции тока для решения уравнений HaBьe CTOKca и числен
ными экспериментами на ЦВМ показали, что требуемое машин
..
ное время для решения задачи при расчете давлении, на поря
док выше, чем при расчете функции тока.
При анализе движения rазов в доменной печ,И следует учи
тывать, что по мере продвижения от фурмы ДО уровня засыпи
плотность rаза р и просветность .слоя Вп изменяютс в противо
положных направлеНИЯХ6 В силу этоrо произведение Впр остается
практически постоянным, т. е. условие
div ( епр;) :::::= епр div -; ;grad (епр) === о
с некоторым приближением можно заменить соотношением
.......
div v == о. Но это последнее равенство является признаком соле
ноидальности BeKTopHoro поля. Физически оно означает, что
если внутри области движения не имеется источников вихрей
(а в доменной печи, как уже отмечалось ранее, их не имеется),
то вектор скорости rаза является вихрем HeKoToporo друrОfО
вектора, называемоrо векторным потенциалом.
При выводе уравнений вихревоrо движения rаза в доменной
пе-чи (напомним, что речь идет о крупномасштабных вихрях)
будем иметь в виду два обстоятельства: наличие завихренности '
.......
потока (i) == Tot v и приближенную соленоидальность поля BeK
....... .......
тор а скорости div (впрv) == о. Введем векторный потенциал 'Ф co
отношением
--+
6 п рV ..:..:... rot Ф :::::= v ф.
(45)
в этом случае уравнение неразрывности (33) тождественно
удовлетворяется, так как
div l Епр;) diV (rot Ф) == о.
При.менив операцию Tot к соотношению (45), находим ypaB
нение для отыскания вектора 'Ф:
....... --+ 1 --+
v 2 ф === 6пр(t) grad (6np)rot ф.
епр
(46)
Здесь нами учтены результаты работы [. Хирасаки и Дж. Хел
лумса [73], показавших, что для соленоидальноrо BeKTopHoro
.
поля выполняется условие div 'Ф == о. .
4*
51
, Второе уравнение получим, применив операцию rot к ypaB
нению движения (34). Использовав известные теоремы BeKTOp
. Horo анализа, после несложных цреобразований находим:
епр [(;. v ); (;. v);}+;r;. grad (епр)]+
+ 2ер [; . grad (еп/е)] ;- ep; [; · grad (еп/е)] +(аl +a2q) -; ==
== grad (ер) · g [grad (at+ a2q) 1 v grad (епр) . grad (q2j2)
[; . grad (еп/е)] [grad (ер) . ;] ер [(; . v) grad (еп/е)];
p [ (grad (еп/е) . v);] · ;. (47)
-+
Используя соотношение (45),. можно исключить скорость v
из уравнения (47). Однако в практических расчетах это делать
нецелесообразно; удобнее решать совместна систему (45) (47)6
Давление rаза находим из уравнения
grad (епр) == ер; grad [ епr- div ( еп;/е )] (аl +a2q) -;
епр gr d (q2j2}+e n p; · ;- ep; [; · grad (еп/е)]. (48)
Некаторая rромоздкость системы уравнений (46) (48) объ
ясняетс'я переменностью физических свойств rаза и параметров
структуры слоя. По этой же причине существенно усложняется
алrоритм ее численноrо решения. Как и в случае потенциальноrо'
течения rаза, используют итерации (последовательные прибли
жения) .
Первоначально полаrается, что свойства rаза (р, ....) и слоя
(Еп, е.) постоянны во всем объеме печи. Тоrда уравнение нераз
рывности принимает вид div v == О, и все друrие выражения cy
щественно упрощаются:
-+ -+
д 2 ф д 2 ф д 2 ф
дх 2 + д у 2 + дz 2
-+
=== ы;
(49)
-+ --+-
V ;:::= rot ; (50) ,
епр [(; . v):; (; . v):] === (аl +a2q)';
--+-
grad ( 1 +a2q) · v; ( 1)
--+- --+- ..........
е п grad р === epg (а} +a2q) v €пР grad (q2j2) +enpv . ы. (52)
-+
На первом шаr,е итераций предполаrается, что (() == О, т. e
решается потенциальная задача. Здесь используют уравнения.
(36а), (37), (38а), а также процедуру перехода от относитель
ных потенциалов к действительным, изложенную ранее. Полу
52
чив нулевое приближение полей скорости v и давления р, пере
ходят к решению уравнения Лапласа Д.ля BeKTopHoro потен
циала:
--+-
д2 д2 д2
дх2 + . д у 2 + дz 2 ===0.
(49а)
rраничные условия этоrо уравнения состоят в задании yc
ЛОБИЯ 'непроницаемости стенок печи, а также значения BeKTOp
Horo потенциала на срезе фурмы и уровне засыпи. Поскольку
со
век'rОрНЫИ потенциал определяется с точностью до rрадиента
ПРОИЗБОЛЬНОЙ скалярной функции, то можно показать (см., Ha
прИ:мер, {72, 73]), что условия непроницаемости rраниц эквива ,
лентны соотношениям '
д'Фх/дх== 'Фу == 'Фz == О на rраницах, лежащих в плоскости у z
u
И В плоскостях, параллельных еи;
дфу/дУ=='Фх=='Фz==О на rраницах, лежащих в плоскости x z'
u
И В плоскостях, параллельных еи;
д'Ф+/дz=='Фх=='Фу , O Ha rраницах, лежащих в плоскости x y
u
И В плоскостях, параллельных еи.
На срезе фурмы
a z y f
. ду дz == (у, Z),
rде f (у, z) функция, описывающая реальный профиль CKO
рости rаза в фурме; относительно данной функций следует за
u
метить, что она является симметричном по координатам у и z.
И, наконец, для уровня засыпи rраничные условия уравнения
(49а) имеют вид .
д x a z д y д x o
ду дх дх az .
Система уравнений для BeKTopHoro потенциала решается
численно методом последовательной верхней релаксации. Опре
делив поле потенциала по выражению (50) рассчитывают CKO
рости rаза, а затем решают уравнение вихря (51). Располаrая
полем Ы, находят первое приближение для BeKTopHoro потен..
'.
циала 'Ф, решая уже уравнение (49). Циклы решения ypaB
нений (49), (50) и (51) продолжают до тех пор, пока два по
.
следующих поля 'Ф, полученных в результате итераций, не будут
отличаться на наперед заданную малую величину; то же отно"
сится И К полю вихря Ю6 I(оrда критерий сходимости итераций
удовлетворяется, переходят к расчету поля давления по COOT
ношению (52). На этом подrотовительный этап вычислений
заканчивается, и приступают к решению системы (45) (48).
Заметим, однако, что для течения несжимаемоrо rаза в слое
53
u
однороднои структуры результаты предваРIlтельных расчетов
имеют и самостоятельное значение.
Решение системы уравнений' (45)- (48) начинают с ypaBHe
ния вихря (47). Дальнейшая последовательность такова: ypaB
нения (46) и (45) и, наконец, (48). Поскольку физические свой
I
ства rаза переменны, то, помимо основных, появляется еще один
цикл итераций по установлению' р, 1-1, 8п И т. д. В силу этоrо
время решения задачи существенно возрастает.
Нетрудно заметить, что по сравнению со случаем потенциаль
Horo движения rаза значительно возрастают требования и
к оперативной памяти ЦВМ. Если в первом случае достаточно
было одноrо TpexMepHoro массива ячеек памяти для поля по
тенциала скорости ср, то при решении задач вихревоrо течения
такой же размерности требуются уже шесть трехмерных масси
вов: три для компонент поля BeKTopHoro потенциала 'Ф и три
для поля завихренности ш.
Вследствие оrраниченности объема книrи мы лишены воз
можности ПОДРQбнее остановиться на таких интересных вопро
сах, как выбор наиболее эффективной конечно разностной
u
схемы, задание rраничных условии для уравнения вихря и т. п.
По поводу наиболее удобноrо способа, расчета завихренности на
rранице течения упомянем работы [74, 75], а' что касается BЫ
числительных схем, порекомендуем читателю превосходные MO
ноrрафии А. А. CaMapcKoro, ' Р. Рихт айера ц К. Мортона,
В. Вазова и [. Форсайта, [. и. Марчука и мноrие друrие.
НеоБХ9ДИМО отметить, однако, что трудности решения ypaB
u
нении вихревоrо движения rаза окупаются лишь в случае cy
ществования развитой полости вблизи сопла фурмы. При этом
u
из решения уравнении можно оценить интенсивность подсоса '
ropHOBoro rаза к поверхности вытекающей из фурмы струи, про
следить за циркуляцией rаза и т. д. Если же слой считается He
деформируемым, то завихренность потока оказывается столь He
значительной, что то.уточнение абсолютных значений вектора CKO
.
рости v И давления.р, KOToporo удается достичь решением си
стемы (45) (48) по сравнению с моделью потенциальноrо Te
чения, теряет всякий смысл на фоне непропорционально боль '
тих затрат машинноrо времени и памяти ЦВМ.
э. УСЛОВИЯ, О&ЕСПЕЧИВАЮЩИЕ ОПТИМАЛЬНОЕ
rАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЕ В ПЕЧИ
ДЛЯ доменноrо процесса типична тесная взаимосвязь и rлубо
кая взаимообусловленность явлений физическоrо, теплотехни
ческоrо и физико химическоrо характера. Поэтому вполне eCTe
ственно, что проблема оптимизации параметров rазора преде
лени я не может быть полностью решена на базе анализа лишь
одноrо явления rазомеханики. Это тем более очевидно, что в за
54
... ...
висимости от конкретных условии доменнои плавки может из
мениться и содержание критерия оптимальности.
. Вместе с тем ноrочисленная экспериментальная проверка
выводов, сделанных на основе численноrо анализа, показала, что
результаты обособленной (локальной) оптимизации сохраняют
качественную значимость и в более общем случае, если хотя бы
OCBeHHO учитываются наиболее существенные стороны явлений,
не. рассмотренные при проведении процедуры оптимизации. Так,
например, исследования В. Б. Щербатскоrо и я. М. [ордона,
и учавших равномерность rазораспределения на разнообразных
экспериментальных установках ВНу!у!МТа (подвижный и непод
БИЖНЫЙ слои, фурменный центральный подвод дутья, х<?лодное
и rорячее дутье, с развитоЙ зоной циркуляции и без нее), сви
детельствуют о том, что высота области пространственноrо Te
чения, количественно изменяясь, сохраняет все же качественно
од. отипную зависимость от rеометрических параметров фур
MeHHoro устройства и шахтной печи. Аналоrичное заключение
делают и авторы работ [31, с. 1 8; 58; 61 67], рассматривав
шие влияние способов заrрузки шихты в печь на равномерность
rазораспределения в шахте.
В связи с этим ниже будет представлен анализ закономер
настей rазораспределения в доменной печи, выполненный без
привлечения уравнений тепломассообмена и движения шихты.
Таким образом, результаты., полученные в данном анализе,
... . .
имеют качественныи\ характер.
Закономерности изменения размеров зоны nространственносо
движения zазов
Анализ результатов решения уравнений модели потенциальноrо
течения rаза в слое {система (36) (38)] показывает, что дви
...
жение rаза в доменнои печи подчиняется различным законо
мерностям на раз ых rоризонтах печи. Ниже уровня фурм и
в некотором объеме выше их течение rазов TpeXM pHO; вектор
....
скор<?сти v имеет три компонента. Затем, начиная с HeKoToporo
rоризонта выше уровня фурм, поток перестраивается; rоризон
тальная компонента скорости, норм льная к'направлению CKOpO
сти истечения, исчезает, и поток приобретает четкую двухмерную
.... .
структуру. Здесь вектор скоррсти v имеет лишь две KOM
поненты, одна из которых направлена по радиусу печи, а дpy
rая к уровню засыпки. Наконец, со вполне определенноrо для
каждоrо набора rеометрических параметров фурменноrо YCT
..
роиства rоризонта поток rазов становится одномерным, а pa
. диа ьная компонента скорости ,пренебрежимо малой. Дальней
ший характер профиля скорости определяется здесь в основном
структурой слоя и практич ски не зависит от способа ввода
дутья.
5.5
Анализ уравнений модели (36) (38), а также результаты
'экспериментов позволяют сделать вывод, чТо высота rорИЗОН
та, начиная с KOToporo поток становится одномерным, опреде.
ляется расходом дутья VД, высовом фурмы 1 и ее ди. метром d ф ,
расстоянием фурмы от зеркала расплава 11, а также соотноше.
нием высоты слоя Но и диаметра (среднеrо) печи D==2R.
Для получения зависимости высоты зоны пространственноrо
течения от перечислеlIНЫХ выше факторов в виде аналитическоrо
выраже,НИЯ воспользовались методами теории планирования экс.
периме'нта, причем в' качестве функции отклика (критерия оп.
тимальности) выбрали h дв расстояние' от зеркала расплава до
rОрИЗ0нта, начиная с KOToporo среднее абсолютное значение
u u .
rоризонтальнои составляющеи вектора скорости не превышает
50/0 скорости движения rаза, найденноrо с. помощью выражения
.' 2' ..
W == V д! (nR Еп).
'Обычно полаrают, что при мноrофакторном эксперименте
(n 4, rде n 'число факторов) эффектами взаимодействия
высших порядков можно пренебречь ввиду их малой значимости.
В связи с этим была выбрана цолуреплика пятифакторноrо ор.
тоrональноrо композиционноrо планировани , в соответствии
с матрицей которой по уравнениям (36). (38) просчитали 27
вариантов, различающихся значениями Vд, 1, d ф , '1 И Ho/R {53].
Планирование осущесrвляли в почти стационарной области.
После расчета коэффициентов получили следующее выражение
функции отклика для факторов в 01'носителыIiхx единицах:
hдв/R === 1,325+ [о, 1905Хl + 15,2760Х2+ 8 ,7760х з +2,4140Х4+
+O,9047X5 4,4545xi +5,3636x 1, 1818 (x +x )+
+ o,0909x +0,9375XIX2+0,3125 (ХI Х З+ Х I Х 4 XIX5+
+ Х2ХЗ Х2Х5 ХЗХ4)+ 1,5625 (Х2Х4 ХЗХ5+Х4Х5)] 10---2. (53)
Пересчет. уравнения (53) на факторы в действительных еди.
ницах выполняют по соотношениям
H o /R==3,2+ 1,3 Х l; "lfR===O,4+0, 2x 2;
lllR ===О,4+0,2х з ; dф/R ====0,25+0, 1Х4;
\(д , 16+9, 7Х 5.
Проверка полинома (53) на адекватность показала, что
u
в центральнои точке плана расхоЯ{дение результатов расчетов
по уравнениям модели (36) (38) и по выражению (53) равно
нулю. Максимальное отклонение результатов составляет 20% и
достиrается в отдельных вершинах rиперкуба, что, по видимому, .
объясняется влиянием отброшенных эффектов взаимодействия
высших порядков. стадии KpYToro восхождения различие ре.
зультатов выражается долями процента.
.56
Анализ уравнения (53) показал, что функция отклика не имеет
rлобальноrо экстремума в пределах rиперкуба. Этим подтверж
дается, что' минимальная высота зоны пространственноrо .дви
жения достиrается на rраницах области определения факторов.
Несколько по иному то же самое можно пояснить, отметив,
что не существует TaKoro набора факторов, который обеспечил
бы минимум h дв внутри области варьирования aprYMeHToB за
дачи. В то же время представляется возможным получить за
висимость hдв/R от ОДНоrо или одновременно от двух факторов
и установить таким образом локальные экстремумы. С этой
целью просчитали ,около 300 поверхностей откли а, предстаi3
ляющих собой трехмерное сечение шестимерноrо пространства
фаКТОРОВ6 При этом принимали несколько постоянных значений
Ho/R и 'V д и, последовательно варьи.руя l/R, ll/R и dф/R, нахо-
дили зависимост 'hдв/R.==f [(l/R) , (dф/R)], hдв/R==fl[(ll/R),
(dф/R)] и т. д. .'
результа ыI 'расчетов ПQЗВОЛИЛИ сд лать вывод о ТОМ, что
расход rаза является незначимым фактором зависимости (53).
эrо обстоятельство объясняется принятой в модели (36) (38)
структурой слоя при отсутствии зоны циркуляции. При условии
..
потенциальноrо течения в слое с постояннои порозностью модуль
вектора скорости q является функцией только потенциала ,
а следовательно, и h дв будет исключительно функцией потенци
ала (rидродинамическая сетка потенциальноrо движения зави
сит лишь от rеометрии области течения) 6Qтмеченное обстоя
тельство остается в силе и при переменной ПОРО3НQСТИ в объеме
слоя; важно только, чтобы вблизи фурмы не возникала зона по
вышенной порозности. Специально поставленные эксперименты
показали, что по мере развития фурменноrо очаrа роль расхода
rаза, как фактора, определяющеrо равномерность rазораспреде
ления, возрастает [64]; по мере роста V д (особенно при малых
диаметрах фурмъi) величина hдв/R хоть' и не. ачительно, но
увеличивается. . '.
, Далее из расчетов следует, что с РОСТО,М высоты слоя H/R
относительная высота зоны пространственноrо ,движения He
сколько уменьшается. Однако снижеыие hдв/R 'в данном случае
крайне мало и, кроме Toro, значимость фактора H/R в ypaBHe
нии (53) ничтожна.
На рис. 11, а, б показаны зависимости высоты зоны прост
paHcTBeHHoro движения h дв r8'30BOro потока от расстояния
фурмы до зеркала расплава, причем в первом случае (рис. 11, а)
высоту зоны отсчитывали от оси фурмы, а во втором от зер
кала жидких продуктов плавки (рис. 11, б). И3 рассмотрения
результатов рис. 11 видно, что по мере накопления жидких про
дуктов плавки (с уменьщением ll/R) равномерность rазораспре
деления и условия тепловой и восстановительной работы rазо
Boro потока ухудшаются. После выпуска (с ростом ll/R) YBe
личивается объем печи, в котором происходит перемешивание и
57
, (
выравнивание потока rазов (см. рис. 11, б), поэтому размеры
u
зоны пространственноrо течения, расположеннои над плоско
стью фурм, уменьшаются; при этом улучшается использование
h iJB / R
1,7
(hiJ8 l,)/ н
1,3
(hiJB lt)/N 1,5
1,'lS
1,00 1.3
1,2
1,1 0.75
1,1
1,0 а 0,50 6
а22 0.34 О,'tб 0.58 l,/R 0.1 О.} 0.5 "l, /Н
Рис. 11. Влияние расстояния фурмы до зеркаЛа расплава на высоту зоны пространст
BeHHoro' движения при H/R==3,2; d ф .IR==О,I; V д==16 М 3 /С: 1 I/R===O,7; 2 l/R==O,2
тепловоrо и восстановительноrо потенциалов rазов. Последнее
вкакой то мере подтверждается более ровной работой доменных
u .
печен после выпуска чуrуна6
hQ8/ H
1,6
l,/R.
7
0.5
1,4
1,2
1.0
0.1
0,3
0.5 ' l/N
0,3
0.5 l/ Н
Рис. 12. Влияние высова фурмы на
высоту зоны пространственноrо дви
жения при H/R==3,2; d ф /R==о,l; V д'-='
== 16 M 3 fc
РИс. 13. Линии равных зНачений
h дв [функция hдв==f(l, 11)] при
HJR==3,2; V д==!.16 м 3 /с
На рис. 12, 13 представлены зависимости высоты зоны про
CTpaHcTBeHHoro движения от высова фурмы и расстояния ее до
зеркала расплава. Из этих рисунков следует, что высое фурмы
u
-оказывает весьма важное воздеиствие, реrулирующее rазорас
пределение. Причем влияние фактора l/R на hдв/R неоднозначно.
.58
Вначале, по мере роста высова фурмы, неравномерность rазо
распределения уменьшается, а затем, после превышения HeKO
Toporo значения l/ R, происходит возрастание высоты зоны про
CTpaHcTBeHHoro 'движения. Таким образом, высов фурмы 1 имеет
значение, оптимальное с точки зрения равномерности rазорас
пределения Это явление объясняется тем, что с увеличением
высова фурмы расстояние ее до центра печи сокращается, спо
собствуя улучшению rазораспределения. ,Простым rеометриче
ским построением нетрудно. показать, что среднеинтеrральная
длина линии тока уменьшается вплоть до (l/R) O,5. OДHOBpe
менно с этим происходит увеличение «MepTBoro» пространства
над фурмой, что, наоборот, ухудшает распределение rазовоrо
потока по сечению. Взаимодействие этих двух обстоятельств ' и
приводит К возникновению KCTpeMYMa в зависимости (hдв/R) ==
==f(l/R). Соответствующее минимуму h дв значение 1 не посто
янно: оно незначительно 'зависит от раССТОЯJ:IИЯ фурмы до зер
кала расплава и в большей степени от диаметра фурмы, при
чем так, что с уменьшением диаметра фурмы lопт возрастает.
Сам по себе диаметр фурмы (при значениях, типичных для
доменной практики) слабо влияет на высоту зоны пространст
BeHHoro движения. Заметим, однако, что в совокупности с раз
рыхляющим воздействием вытекающей из фурмы струи rаза
снижение dф приводит к увеличению h дв .
Сопоставление р зультатов расчета с аналоrичными данными
задачи о движении rазовоr потока при подводе дутья посред
ством точечноrо источника показало одинаковое качественное
влияние обсуждаемых факторов на высоту зоны пространствен
Horo движения rазов. Специально выполненные эксперименталь
вые исследования [64] также подтвердили справедливость за
ключений о зависимости h дв от 1, 11 И т. д., что rоворит об aдe
кватности использованной математич ской модели (36) (38) .
Вместе с тем опыты указывают на существенное влияние зако
номерностей развития и образования зоны, циркуляции (фур
менной полости) на количественную сторону рассмотренных
выше зависимостей [64]. !
Влияние уzла наклона фурмы на равномерность
zазорасnределенuя .
Интенсификация процессов, происходящих в доменных печах,
вызвала стремление к разработке новых конструктивных элемен
u u
тов печеи, в частности к созданию новых устроиств ввода дутья
в виде наклонных фурм. Использование таких фурм в ДOMeH
ном производстве привело, по литературным данным, к увели
u
чению производительности печи, улучшению стоикости rарнис .
сажа, самих фурм и т. д. Однако к настоящему времени в ли '
тературе есть лишь отдельные публикации, в которых сделаны
попытки экспериментальноrо или расчетноrо - обоснования
59
эффективности использован я наклонных фурм и установления
u .
'рациональнои величины их уrла наклона.
Следует отметить, что сложность выявления влияния уrла
наклона фурмы на равномерность rазораспределения обуслов
.лена взаимосвязью ero (уrла) с друrими факторами,. в частности
с высовом фурм;ы и расстоянием ее до зеркала расплава. По-
этому при проведении расчетов по уравнениям модели (36)
(38) предусматривались два варианта изменения уrла наклона
фурмы. В первом из них фиксировали положение фурмы OTHO
.сительно зеркала расплава, 'т. е. вращение происходило BOKpyr
"'ан / Il (ho8 l,)1 R h и6 / It (htl8 l1)/ н'
R
R
:х::
:J::: п,вз 0,98
0,72
,[,04
0,79
.1,00 0,04
0,75 .
0,90
0,11
0,92 а о'
О 10 20 JO 40 d. lJ 10 20 JO 40 rX
0,58
0,54
,
'-
Рис. 14. Зависимость высоты зоны двумерноrо движения от УI'ла наклона фурмы;
,а при HIR . ,3.2; d ф JR--.О.l; l/R O.2; 1.IR..О.2З; 6 при 1.IR-ж::vаr
нижней кромки среза фурмы. Во втором случае фиксировали
место ввода фурмы в печь, и ее вращение осуществляло.еь Boкpyr
'Этой точки. По видимому, именно этот вариант наиболее Bepo
.-ятен для пр актическоrо ис ользования.
Все расчеты выполняли для случая плоскоrо (д умерноrо)..
движения rазов в слое постоянной порозности (8 == 0,4). Расход
rаЗ8 подд рживали равным V д == 10 м 3 /с, а rеометрические пара
метры печи выбрали следующими: dф/R==О,I; l/R == 0,2; Ho/R==
===3,2; R==3 м. ..
На рис. 14, а представлена зависимость высоты зоны прост
paHCTBeHHoro движения ,rазовоrо ,потока от yrJIa наклона фурмы
при постоянном положении среза фурмы относительно поверх:
ности жидких продуктов плавки. Из рисунка видно, что мини
мальное значение h дв достиrается при уrле наклона фурмы,
равной 17 200, причем равномерность распределения rазовоrо
СО
потока в экстремальной точке улучшается на 10 120!o по cpaB
нению с нулевым значением уrла наклона.
Наличие в данном варианте оптимума rазораспределения
u
леrко устанавливается при анализе rеометрических изменении
конфиrурации потока rазов. Анализ зависимости среднеинте
rральной длины линии тока от уrла наклона фурмы показывает,
что значение а, при котором hд'в достиrает минимума, опреде
ляется величиной высова фурмы и ее расстоянием до зеркала
расплава. Если (l/R) O,212 или (l/R) O,788, то по мере YBe
личения а вы.сота пространственной зоны (длина среднеинте
rральной линии тока) будет уменьшаться вплоть до достижения
равенства (11/R) == [1 (l/R)] tg а. При а> arctg [11/ (R 1)] или
при O,212 {l/R) O,788 уве JIичение а прив дит к монотонному
возрастанию h дв .
На рис. 14, б показана зависимость высоты зоны простран
CTBeHHoro течений от уrла наклона при вращении фурмы BOKpyr
места ее ввода в печь. Из рисунка следует, что в этом варианте
минимум h дв достиrается при а==25 0 . Заметим однако, что
в данцом случае улучшение равномерности rазораспределения
по сравнению с нулевым уrлом наклона rораздо меньше, чем.
в первом варианте, и составляет Bcero 4 5 О/о'. в связи с этим
. представляется омнительным, чтобы тот эффект 'от применения
наклонных фурм, который получили авторы работ [76, 77], был
связан именно с улучшением (столь незначительиым) paBHO
мерности rазораспределения. По видимому, 'основную роль здесь
u .
иrрает усиление заимодеиствия струи дутья с поверхностью
расплава, на важность KOToporo указывают Хатано, Фукуда и
Курита в работе 131, с. 155 158], а также некоторое улучшение
условий схода кокса через фурменные очаrи, связанное с YMeHЬ
шением в этой области вертикальной компоненты вектора CKO
рости.
Следует заметить, что, результаты эксп,е.рпмент.альных и-с-
u ..
следовании влияния уrла накЛона на равном,ерность rазораспре-
деления, выполненных на холодной модели ВНИИМТ, в целом
u
подтвердили правильность сделанных выше заключении.
,Суммируя результаты, изложенные в данной rлаве, можно
сделать следующие выводы. ,
В области изучения процессов движеы я потоков материалов
и rазов отечественными и зарубежными исследователями BЫ
полнен оrромныЙ объем работ. Проанализированы закономерно
сти распределения и из,менения сил, действующих в объеме
покоящеrося и движущеrося материала, выяснены условия ис
течения сыпучих через 'разнообразные отверстия бункеров и ап
паратов самой произвольной конфиrурации и т. д. На холодных
моделях, orHeBbIx стендах и работающих доменных печах прове
дены весьм'а трудоемкие.и тонкие эксперименты, результаты KO
торых позволили по новому взrлянуть на процессы, происходя '
щие в зоне ,.фурм,. и rлубже постичь физику этиХ процессов.
61
Разработаны математические модели развития фурменных поло
u u
стеи и методики расчета поля скоростеи движения шихтовых
материалов.
В результате мноrочисленных кропотливых экспериментов
выявлены закономерности, определяющие rидравлическое сопро
тивление слоя. Сформулированы системы уравнений,. описываю
щие распределение полей скоростей и давлений rаза в объеме
доменной печи. С помощью математических моделей rазомеха
ники дан анализ влияния на равномерность rазораспределения
параметров устройств ввода дутья, способов укладки слоев
кокса и руды, сеrреrации кокса, уровня жидких продуктов
плавки и т. д.
Однако в области изучения механики движения теплоноси
телей существует еще множество нерешенных проблем. Преж,tJ.е
cero следует отметить изолированность математических описа
ний движения шихтовых материалов и rазов. как друr от друrа,
так и от процессов тепло и массообмена. Необходимо усилить
, работу по созданию физически и математически безуцречных MO
делей движения материалов в слое, а также образования и раз
вития фурменных очаrов. По видимому, это можно будет сделать
..
совместным решением уравнении ихревоrо течения. rазов и
уравнений движения шихтовых материалов, разработанных
с учетом соблюдения законов сохр нения массы и количества
движения. Следует также форсировать реализацию моделей дви
жения теплоносителей при rраничных условиях; более прибли
щенных к реальному профилю печи и параметрам доменной
плавки.
/
(
r n а в а 11
РАЗВИТИЕ IЕПЛОО&МЕННЫХ ПРОЦЕССОВ
. .
Специфика теплообменных явлений в доменных печах наличие высокораз
витой поверхности подверrаемоrо тепловой обработке KycKoBoro материала,
участие в теплообмене всех видов теплопередачи, высокая интенсивность
процессов теплообмена определила их rлавенствующую роль в том MHoro
образии сложных процессов, которые описываются теорией доменной плавки. /
Действительно, теплообменные процессы определяют тепловую подrотовку
шихты, от которой зави.сят не только развитие и протекание химических'
процессов, но и технико экономические ПОК8затели работы самой доменной
печи.
Успехи в математическом описании процессов теплообмена в доменных
печах были обусловлены появлением в 1939 1949 ff. работ Б. и. Китаева
и ero учеников, выполненных в УПИ им. с. М. Кирова [78 82]. В них oco
бенности распределения температур рассмотрены с использованием законо
мерностей развития тепловых явлений в плотном противоточном слое. Это
преДllIествовали мноrолетние исследования доменщиков по изучению тепловых
сторон доменноrо процесса с помощью общих и зонаЛЬНI IХ тепловых бал'ан
сов, а также непосредственные измереН}JЯ температур в доменных печах, пред
ставленные в трудах акад. М. А. Павлова и ero сотрудников [83]. .
62
1. HArPEB слоя ПРИ ПО ТОЯННЫХ
ТЕПЛОЕМКОСТЯХ ПОТОКОВ ШИХТЫ И r АЗА
Доменная печь является типичным противоточным аппаратом, в котором бла
rодаря встречному движению шихты и rаза удается достичь высокой степени
совершенства процессов теплообмена. В таких аппаратах распределение TeM
ператур устанавливается в зависимости от соотношения теплоемкостей
потоков и друrих факторов. Под теплоемкостью потока W i понимают произве
дение расхода потока О i (V i) на теплоемкость единицы вещества потока
ос i (С i), т. е.
Wi==GiCi===ViCi. (54)
Каждый поток (шихты и rаза) характеризуется своим значением тепло-
.емкости потока W м или W r, при этом возможны следующие их сочетания:
Wr>W M ; Wr<W M ; Wr==W M .
Закономер'ности теплообмена в противотоке' rаза и материала для этих
лучаев MorYT быть найдены после решения такой задачи. Слой высотой Но,
состоящий из кусков, опускается в шахте постоянноrо сечения S. Скорость
движения кусков материала WM постоянна, что возможно, если массовый
расход их Ом ==const. Заrружаемые куски имеют од наковую по объему
, .
i'емпературу lM. Опускаясь, куски наrреваются и выходят из теплообмена на
l'лубине НО, . I. ея среднюю температуру t:. ' Начальная температура rаза, про
, ,Н
дуваемоrо через слой, t r , а на выходе из слоя lr. Расход rаза постоянен
и равен V r . ,
Теплоемкости материал См И rаза C r В процессе теплообмена не изме-
няются и равны средним теплоемкостям. Недзменны также параметры, xa
рактеризующие друrие свойства системы.
С учетрм общепринятых допущений [70, ВО] рассмотрен 'случай стацио-
HapHoro процесса, т. е. TaKoro, коrда температуры на JIюбом rоризонте слоя
не меняются во времени. J1ля этоrо случая следует найти темпера урное поле
материала и I:'аза, если куски шихты обладают свойствами термически тонких
iел (Bi==O) , а теПЛQвые эффекты физико-химических процессов отсутствуют.
Случай W r > W M . Теплообмен в элементарном слое (рис. 15, а) при ис-
пользоваl;IИИ объемноrо коэффициента теплоотдачи описывается уравнением
ОмС м dt M == u'v (f r ' м ) S dy. (55)
Оно характеризует изменение энтальпии (теплосодержания) материала, кото-
рое численно равно количеству тепла, полученноrо слоем от rаза.
Кроме Toro, для этоrо случая характерно, что в любом месте по высоте
слоя разность энтал'ьпий потока rазов и шихты равна разности энтальпий
rаза на выходе из теплообмена и шихты на выходе в слой. Если для упро-
,
щения принять t M ==0. то
W W W"
rtr MtM rtr o
(56)
. I
Отсюда
" W M
t r == t r + W r tMo (57]
Подставляя t r из (57) в уравнение (55), получим линейное дифферен-
циаль ое уравнение
\
dt avS avS "
м+ W M (1 т) tиdу W M trdy == О,
(58)
63
r ,
решением KOToporo при rраничных условиях'у==О, tM:::=O И у::: Но, tr==t r будет
tM t;{I exp[ (l т)y])..
(59)
"
Значение t r определим следующим образом. Из уравнения (59) следует,
что при у==оо температура кусков материала на выходе из слоя достиrнет
,
температуры rазов a входе в слой t r- Если для этоrо момента времени
написать уравнение тепловоrо баланса' типа (56) и учесть при У==ОО, что
, "
tr==t r === t M (завершенный теплообмен), то после небольшнх математических
преобразований получим
" ,
tr. === t r (1 т) _ (60)
,Это определение будет справедливо в условиях завершенноrо теплооб
мена как для термически тонких, так и для термически массивных кусков
материала. 'Уравнение (59) позволяет найти температуру материала, а для
ОТPIскания температуры rаза следует воспользоваться выражениями (57)
"и' (60). .
Полученная закономерность (59) отчетливо указывает, что HarpeB шихты
по высоте слоя происходит' неравномерно, вначале куски наrреваются cpaB
нительно быстро, а затем HarpeB все больше замедляется. Максимальное влия
ине на распределение температур по высоте слоя оказывает величина отно-
шения теплоемкостей потоков rаза и шихты. :
При высокой шахте теплообмен сосредоточен только в небольwей ее
части со стороны заrрузки материалов, остальной объем шахты практически
в теплопередаче не участвует и для теплообмена не нужен. ,В свое время
ero высота была названа холостой [78]. .
Можно считать, что HarpeB 'шихты заканчивается, коrда температура
i. _ " ,
ее достиrает 95% предельной температуры HarpeBa, т. е. t M ==0,95i r . 'Величина
коэффициента 0,95 выбрана не произвольно: она соответствует практичес и
наблюдаемым значениям температур по высоте шахтных печей. При
, . \-
t r :::900 0 С недоrрев составит только 45 0 С. Исходя из этоrо условия, пользуясь
уравнением (59), можно получить формулу для определения неорходимой
при таком допущении высоты слоя
Н о == 3W М С М РИ8с/ а f) (1 т) _ (61 )
При выводе этой формулы имелось в виду,' что расход шихты со ско-
ростью ее схода и друrими параметр'ами связан соотношением
. 1
Ом == W М SРИ8С- (62) ,
Случай W r < W м. При этом условии и завершенном теплообмене, т. е.
при вполне достаточной поверхности HarpeBa rазы отдадут все свое тепло
шихте и охладятся до температуры поступающей щихты (рис. 15, б). Однако
этоrо тепла не хватит, чтобы HarpeTb шихту .по начальной температуры
rазов. Это также видно из анализа уравнения (55), описывающеrо процесс
теплообмена между rазом и материалом. Независимо от отношения тепло
емкостей потоков это уравнение может быть записано иначе, т. е.
-
dtM/dy (aVS/W M ) (t r t M ),
(63)
откуда следует, что с повышениеl4 разности температур возрастает и rpa
диент температур по высоте шахты. Характерно, что в отличие от nepBoro
варианта по мере опускания шихты разность температур между rазом и
шихтой не .уменьшается, а увеличивается. Эта разность, а вместе с ней
и недоrрев шихты будут тем больше, чем больше отношение W N /WI'.
64
Математически процесс теплообмена в этом случае описывается теми
же уравнениями" что 1 и предыдущий. ' Однако для получения формул более
простоrо вида целесообразно вести отсчет времени от места поступления
rаза в слой (см. рис. 15, 6). Тоrда для температуры rаза получим
I
.,
. t r t r [ (J. s ( W'; ) ]
. , ' == 1 ехр 1 U7;r у;
t r t M r м
для температуры шихты
t ==t' ( !' t )
м i М r r
W r
W M
.'
(64)
(65)
и для расчета ВЫСОТЫ .слоя, на которой обеспечивается достижение CTe
пени завершенности процессов теплообмена на 95%:
Но === 3W M C M PHвc/ a 'l) (т 1). (66)
а
[;: t;
tOC
.
t
-................ - ................
t"
\ r
\
\
\
\
,
,
"
5 t"t...... в
t ос
.
t;
t, ос
Рис. 15. Изменение температур t. ос. ПО BbICOTe СЛОЯ:
a Wr>W M ; б Wr<W M ; 8 Wr==W M . Сплошной линией показаНJlII
результаты для шихты. пунктирно для rаза
Случай W r== W M . Характерной' особенностью этоrо случая теплообмена
является то, что охлаждению rазовоrо потока. на 1 ос соответствует
HarpeB потока шихты также на 1 ос. Таким образом, по высоте слоя,
работающеrо в условиях W r == W M , разность температур .между rазом и ших
той будет постоянной по высоте. В результате закон распределения темпе
ратур в слое будет описываться уравнением прямой линии.
Действительно, из уравнения тепловоrо баланса (56) следует, что при
. Н Н '
равенстве тепл емкостей потоков t r t M ==t r t M 6 ,Подставив первую раз-
ность из этоrо выраJКения в уравнение (55) и проинтеrрировав ero приусло-
, '.
вии, ЧТО при у==О, t M ==t М' MOJКHO получить выражение для расчета темпе
ратур шихты:
, ( '" " ) a'(,S
t M ==t14.+ tr tM W у.
м
(67)
(62), нетрудно
Используя уравнение тепловоrо баланса и соотношение
получить и выражение для температуры rазовоrо потока:
" ( ' 'Н )
tr==t r + tr tM .a.VY/WMPHacCM'
(68)
Полученные формулы показывают, что наклон температурных линий для
слоя в рассматриваемом случае зависит от величины объемноrо коэффициента
теплообмена и объемной .теплоемкости шихты РнасСм'
5 Заказ Н!! 97
65
),\
Полученные решения при пt== (Wи/W r ) <1,0 и пt> 1,0 и были использо
ваны в разработке схемы теплообмена в доменной печи. В 1944 r. Б. и. Ки
таевым [79] были сформулированы общие принципы построения схем тепло
вой работы доменной печи.
Вполне естественно, что исключительная простота формул для случая
завершенноrо теплообмена в реальных условиях сопряжена с некоторыми
поrрешностями, размеры которых в свое время вызвали дискуссию. Анализ
поrрешностей показывает, что они прежде Bcero зависят не только от CTe
пени завершенности теплообмена, но и от отношения теплоемкостей потоков.
Если последнее далеко от единицы, то, как правило, поrрешность очень мала,
и практически ею можно пренебречь. Во всех случаях это можно сделать
при отношении теплоемкостей потоков, меньшем 0,90, и степени завершен
ности теплообмена 0,95. Кстати, С. В. Шавриным и А. В. Ченцовым [84] была
найдена очень простая поправка на незавершенность. Конечно, критики [85]
были правы в том отношении, что при небольших степенях завершенности
и при теплоемкостях потоков, близких к единице, ФОРМУЛ I дЛЯ определения
высот ступеней теплообмена дают большую поrрешность. Следует, однако,
заметить, что на это обстоятельство было обращено внимание еще в 1945 r.
[80] при анализе тепловой работы rазоrенераторов. Для полноrо исключения
поrрешностей при оценке высот теплообмена необходимо пользоваться точ
ными формулами [70]. Правда, применительно к доменным печам в таком
расчете нет особой необходимости, так как верхняя ступень доменной печи
не может работать при т, близком к единице. Это подтверждено множеством
экспериментов на промышленных печах и теоретически объясняется HepaBHO
мерностью rазораспределения инеустойчивостью температурноrо поля вблизи
т== 1. Практически это дает себя знать опасностью похолодания шахты.
r лавным при установлении схемы теплообмена любой шахтной, в том
числе и доменной, печи является количественная оценка величин теплоемко
стей потоков шихты и rазов, которую следует проводить с учетом не только
физических особенностей процесса" но и важнейших ХИf\.:Iических реакций.
Такая оценка облеrче,на введением в практику расчета кажущейся тепло
емкости шихты [78]. После установления соотношении теплоемкостей потоков
можно найти распределение температур по высоте печи. Основная трудность
при этом состоит в уч.ете BHYTpeHHero тепловоrо сопротивления кусков.
Приближенный метод ero учета был разработан Б. и. Китаевым в 1944 r.
в результате изучения осо(5енностей теплооб ена на rидромодели [81] и co
стоял во введении в основные расчетные .формулы вместо а '!) cYMMapHoro
коэффициента теплопередачи k.", Qтражающеrо не только эффективность внеш
Hero теплообмена, но и BHYTpeHHero. Величина kv для кусков сферцчес ой
формы определяется выражением
kv a v f(1 + + Вi).
(69)
Это приближение подкупает своей простотой. Однако до 1972 r. не совсем
ясным оставался вопрос о поrрешностях этоrо приближения и области Воз.
можноrо применения. В моноrрафии [70] этот вопрос рассматривается в двух
ситуациях: 1) при HarpeBe массивных тел в противотоке; 2) 'при Har.peвe
массивных тел в неподвижном слое (задача Шумана). Оказалось, что прибли
жение удовлетворяет почти всем практическим случаям (например, для' Ha
[рева неподвижноrо слоя хорошее соответствие точноrо и приближенноrо
решения наблюдается при Ро>О,25 и при Bi, достиrающем 10 [70], и может
широко применяться, во всяком случае значительно шире, чем нам казалось
первоначально). .
Блаrодаря этому удалось распространить решения для термически TOH
ких кусков материала на случаи HarpeBa реальных кусков, обладающих Tep
мической массивностью, и избежать осложнении, связанных с решением
дифференциаль оrо уравнения Фурье. ..
Предложение В. М. CYPoBCKoro и др. [85] учитывать термическую Mac
СИВНОСТЬ величиной безразмерноrо термическоrо сопротивления " paBHoro
66
ными знаками, и, обеGпечив,аются условия для расчета и анал.иза распределе
ния температур' в слое шихтовых материалов. '
Анализ теплоемкостей потоков rаза и ,шихт , а также кажущейся теп.
лоемкости шихтыIiьb высоте доменных печей показал, что теплоемкость ra-
ЗОБоrо потока п.рактиtIески не меняется (рис. 16), так как уменьшение Сr
по 'мере охлаждения ero компенсируется увеличением количества более. тепло.
емких rа;зов, образующихся в результате восстано ления рудной части шихты
и разложе"Iiия карбонатов. С теплоемкостью пот()ка шихты происходят су.
щественные изменения, вызываемые спецификой доменноrо процесса. Вверх.
них частях печи, rде совершаются физические процес ы HarpeBa шихты и удале-
ние влаrи, химические процессы непрямоrо восстановления, протекающие
с незначительным выделением тепла, в какой то мере компенсируют затраты
тепла на разложеНI-Jе известняка. В целом лишь на относитеJIьно" не,большую
величину в этих проц ссах меня тся
значенйе W м, а следо ате ьно, и ОТ-
ношение nl, которое для ,этой области
печи приблизительно равно 0,8."
в нижних частях печи наряду
с Физичес{(ими -hроцес ами расплавле-
ния шихты и переrре'ва расплаВ'а про
текаю-r; процессЬJ; прям.оrо BOCCTaHOB
ления' t ' На р'.азв, ти " 'которых затрачи-
вается значительное количество тепла.
" I
Так, для ',! 'восстановления двуокиси
yr лер ода коксом, появляющейся как
продукт восстановления окислов же"'
леза, тр'ебуется 7090 кДж/м 3 С02
(1690 кал/м С0 2 ) . Это приводит
К трехкратному увеличению теплоем- :,W M . W,
кости, потока ши;хты. В результаrе \
этоrо П р ОЦе'с'са, а также Д р уrих эндо. Рис. 16. Йзменение температур.., t по вы-
соте доменной печи Н В (дa Hыe Б. И. Ки-
термических процессов 'отношение таева)':
С учетом затрат тепла н'а протекание
.. 1 нижняя ступень; 1 1 зона умеренных
,химических реакции. для низа печи, температур (резервная высота); 1// Bepx
работающей на' переделы ый чуrун, няя ступень. Сплошной .лини й показана
увеличивается до трех и более. Эти шихта; пунктирной rаз
соображения приводят к 'выводу, что ,
теплообмен в доменной печи совершается по трем схемам, смещенным по BЫ
соте, каждая из которых хараК,теризуется различным соотношением теплоем
костей потоков, а именно: для верха печи W м < W r, для серединыI W 1\1 W r И
для ни а ,лечи W м'> W r . Принципиально можl;tо считать " что теЛ '100бмен совер-
шается TO '1ЬK9 в двух ступенях, как это было сделано на первых этапах ана.
лиза [82], за счет исключения участка, rд W м W r . .
На рис. 16 изображена оПисанная общая схем?.. теплообмена. Она харак.
теризуется следующими 'основными чертами, сформулированными еще
в 1944 r: [79]: ,
1) тепловую работу rазовый поток в доменной печи совершает последо.
вательно в двух ступенях HarpeBa. Ступени HarpeBa (теплообмена) разде.
лены зоной умеренных температур той или иной высоты;
2) тепловая работа каждой ступени отличается автономностью, поскольку
темцературу rазов/поступающих из нижней ступени, Можно принять за кон.
't1 I .,
станту для даннои теХнолоrии; .'
3) -тепл обмен в доменной печи завершен, на что указывает существо-
вание зоны умеренных температур;
4) нижняя ступень теплообмена может быть разделена на две части:
для верхней части характерно W M > W r , а для нижней WM<W r , т. е. она ра-
ботает в таких же условиях, как и верхняя ступень теплообмена. Это обус
ловлено тем, что к этому rоризонту (см. рис. 16) прямое восстановление
железа заканчивается и, следовательно,' общее теплопоrлощение шихты су-
щественно vменьшается. '
OJ
С.. .
t
111
\
.
с::
D
а
tJ
t 'ос
,
69
,
Характер изменения температур для верха доменной печи (см. рис. 16)
является обычным для противотока, коrда tазы ы одят, из теплообмена
с избыточной температурой. Умножение теплоемкости"ПО1'ока на ero темпе
ратуру дает представление Ь количестве тепла, которое ,приносит или уносит
в течение 1 ч данный поток. Для верха печи W м < W r и, следо:вательно, в rазе
всеrда тепла бол:ьше, чем, может поrлотить ши та. IJоэтому, доменный rаз'
на колошнике имеет относительно более ВЫСОКУЮ температуру, че:t"l заrру
жаемая шихта. Верх печи можно рассматривать (по справед.hивому замеча
нию А. д. rотлиба) как совершенный в смысле достаточноrо' развитияпо
верхностей и коэффициентов теплопередачи рекуператор, предназначенный
для исполрзования теплОвой энерrии rазов, уходящих из нижней ступени
теплообмена., '
,Так как опускающаяся шихта, наrреваясь до значения, предельно возмож
Horo в зоне, умеренных температур, не может поrлотить большеrо КОJiичества
тепла rазов, то в колошниковых rазах всеrда остается избыток тепла,. Так,
например, в современных условиях плавкие примеlJ НlJем охлажденноrо аrло-
epa a или окатышей температура на колошнике.. достиrа т ЗОО З500С. Уве-
личение количества тепла, поrлрщаемоrо шихтои Б этон области за счет
роста влажности шихты (применения сырых влажных РУ'n', кокса с повышен
ной влажностью), приводит К снижению температуры r,азов дО 20О О С и бо ее.
; В нижних частях' теПЛQемкость потока шихты' бо.hыде теплое кости
потока rазов. Поэтому шихта не может наrреться' дО ТQЙ темпер,атуры, с ко-
торой rазы из фурменных .очаrов устремляются кверху;' 'а оБЙЗ,ательно вый-
дет из теплообмена с температурой более низкой. Та иiМ образом, начиная
с зоны умеренных температур разность между температурами' rаза и шихты
возрастает и достиrает максимума в фурменных очаrах. Отсюда следует, что
в случае высоких температур у фурм можно получать обычные температуры
чуrуна и шл ка, если 1:{04ичество rазов будет небольшим. .
В нижних частях доменной печи создаются все условия для завершения
теплообмена. Они определяются высоким значен ем коэффициентов теплопе-
редачи, наличием сильно развитой поверхности натрева, так как значительная
часть шихтЫ находится в расплавленном состоянии, и развитием эндотерми-
ческих процессов, интенсивность протекания которых возрастает с ПQвыше..
нием температуры (по мере приближения шихты к фур:tvIзм). Эти (>бстоя-
тельства прив дят к тому, что высота в несколько метров оказывается доста-
точной для тото, чтьбы температуры rаза" шихты вьip вняJiись. Поэтому
температура, с которой rазовый поток выходит из процесса теплообмена,
определяется условиями восстановления двуокиси уrлерода коксом.
, Рассматривая схему теплообмена и делая вывод о завершенности тепло
БЫХ процессов в доменной печи, можно удовлетворитеJJЬНО объяснить тот
факт, что с увеличением высоты печи не происходит значительноrо. снижения
температуры колошниковых rазов. Объемы теплообмена верхней и нижней
ступеней с увеличением высоты печи остаются практически неизменными; при
этом расширяется лишь объем зоны умеренных температур.
, При значительном форсировании хода доменной печи температура колош-
никовых rазов практически не возрастает, так как расширение ступеней на-
rpyBa с увеличением тепловой наrрузки происходит за счет зоны YMepeHHЫ
температур и теплообмен, несмотря на форсирование, остается завершенным.
При этом пространство шахты, занятое теплообменом, увеличивается по вы-
соте, а зона умеренных температур уменьшается. I(оrдавысота зоны YMepeH
ных температур уменьшается до нуля, дальнейшее форсирование доменной
печи BbISOBeT повышение температуры на колошнике и похолодание ropHa,
если, конечно, не будет увеличен расход кокса.
Анализ общей схемы теплообмена сделал более понятным с теплотехни-
ческой точки зрения и вопрос ИСПОЛЬЗQвания физичес оrо тепла HarpeToro
дутья [79]. Если дополнительное тепло поступает в .результате ПО13ышения
температуры, а не за счет увеличения количества rазов (последнее проис
ходит при повышении расхода rорючеrо), то оно целиком используется в ниж
, ..
неи части печи и при том же количество rазов не Вo!Iияет на температуру
колошника. Если при повышении температуры дутья и rазов сокращается
79
расхоД rорючеrо, а следовательно, и количество rазов, то температура колош
ника даже Сflижается.
Из рассмотренной схемы теплообмена также следует, что область пря
Moro восстановления в доменной печи оrраничена нижней ступенью тепло
обмена, а область непрямоrо восстановления занимает большой объем (зона
умеренных температур, верхняя ступень теплообмена), в значительной части
KOToporo создаются блаrоприятные температурные условия для протекания
процессов восстановления.
Исследов ния, проведенные rруппой ученых Под руководством
акад. М. А. П'авлова и в 50 x rодах сотрудниками УПИ и Нижнетаrильскоrо
металлурrическоrо комбината (НТМК), содержат боrатый материал', подтвер
ждающий принципиальные основы теории, развитой Б. и. Китаевым с COTPYД
никами [87 89].
Указанные работы послужили фундаментом для дальнейшеrо развития
аналитическоrо описания процессов теплообмена в доменной печи. Дальней
шие исследования различных ученых были направлены на анализ более
сложных случаев теплообмена, которые с соответствующими комментариями
. представлены в моноrрафии [70].
В качестве примеров приложения теории теплообмена в доменной печи
можно привести разработки метода контроля тепловоrо состояния верха
доменной печи [90], OCHOBH X положений по анализу работы печей на KOM
бинированном дутье, а также дальнейшее развитие метода зональных теп-
ловых балацс,?в .[ 9]. :
Одним nз 'исСледований в этом направлении следует считать работу [179],
в которой технолоrи-доменщики нашли прямую связь одноrо из важнейших
технолоrических показателей температуры фурменных очаrов с теплотех
ническим показателем соотношением теплоемкостей потоков rаза и шихты.
Это исследование убедительно показывает широкие возможности теории
тецлообмена' в уrлублении наших знаний о процессах доменной пла ки.
Признание практическоrо применения теории теплообмена в доменной
печи [89, 180] явилось мощным толчком к началу работ по. математическому
описанию процессов восстановления, rазодинамики, к созданию математи-
ческих моделей доменноrо процесса.
2. HArPEB споя ПРИ ПЕРЕМЕННЫХ,
ЗАВИСЯЩИХ ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ,
ТЕппОЕМКОСТЯХ ПОТОКОВ ШИХТЫ И r АЗА
Для выяснения и анализа особенностей тепловой работы доменных печей
необходимо знать температурные поля по высоте печи. Их можно получить
либо' экспериментальным путем, либо в результате моделирования.
Расчет теплообмена по обычным уравнениям с постоянными теплоемко
стями может привести к некоторым поrрешностям как в определении конеч
ных значений расчетных параметров (температуры на выходе, высота слоя),
так и в установлении распределения температуры по высоте слоя.
Впервые решения задачи о теплообмене в' противотоке с учетом влияния
температуры на теплоемкость теплоносителей было получено с помощью rидро-
интеrратора для моделирования процессов теплообмена в противотоке f89].
Этот прибор позволил получить решения некоторых задач по уточнению
схемы теплообмена в доменной печи, по оценке мероприятий, ведущих к полу-
чению низкоrо расхода кокса, и др.
Появление работ с. В. Шаврина и А. В. Ченцова [84], r. д. Рdбино
вича [91], Б. А. Боковикова и Ф. Р. Шкляра' [92] открыло новые ВОЗМОLКности
аналитическоrо исследования температурных полей по высоте доменных и др у-
rих шахтных печей.
Применительно к современным доменным печам анализ показал,
что участки кривой, описывающей изменение теплоемкости потока шихты
в зависимости от температуры, относятся к кривым BToporo порядка.
71
Теплоемкость потока rаза практически остает я постоянной блаrодаря вз им
ному влиянию изменений количества rаза и температуры. Такое положение
характерно для всех доменных печей независимо от их объема. Различия будут
проявляться лишь В результате особенностей Toro техно оrическоrо процесса,
который свойственен ус овиям выплавки чуrуна той или иной марки.
В связи с отмеченным характером зависимости WN==f(t M ) для доменных
печей температурные поля в них можно определить с помощью формул, пред
ставленных в работах [88, 89], и применения поэтапных методов расчета.
Большой, объем вычислений, неизбежный при таких .методах, привел к необ.
ходимо<....Ти получения CTpororo аналитическоrо решения задачи по HarpeBY
кусковых материалов в противотоке ,для случая, коrда теплоемкость потока
шихты вляется функцией температуры вида W м == а + bt м + ct; и исследования
этоrо. рещения с точки зрения применимости к доменным печам.
Ф зическая формулировка задачи существенно отличается от той, KOTO
рая из'лажена в предыдущем разделе (с. 63). Различия состоят, во первых,
в том, :что теплоемкость потока шихты представлена функцией температуры,
которая учитывает также тепловые эффекты" химических реакций, в шихте,
т., е. является кажущейся. BO BTOpЫX, коэффициент теплопередачи от rаза
к шихтовым материалам учитывает внутреннее теПJ{овое Qпротивление кусков
шихты' и равен kv [93]. <-
Рассматривается случай стационарноrо процесса, коrда температура на
любом rоризонте слоя не меняется во времени. Для Hero теплообмен от
потока rазов к шихте в элементарном объеме слоя описывается следующим
уравнением (время отсчитывают по пути движения шщсты):
W M dtf,{ == kvV м (t r ' м ) dт. (78)
или, учитывая, что Y==WMT, VM==WMS:
W м dt ;'" == kv (t r 600000 t M ) S dy
(79)
Между тем для противотока характерно, что в любом месте по высоте
слоя разность энтальпий потока rазов и, потока шихты равна разности
энтальпий теплоносителей на входе материала, если потери Б окружающую
среду учесть посредством, кажущейся теплоемкости, т. е.
,
1м 1м
W t S W dt W t" S W M dt...,
. rr м м rr IQ
О О
ИЛИ В иной форме
1м
t r t; + S W M dt M ,
r ,
t M
(80)
(81)
Покажем путь решения задачи на примере, коrда WM==a+btM+ct;, т: е.
для случая, Коrда кривая WM==f(t M ) относительно леrко обобщает данные,
полученные в результате исследований тепловых и восстановительных про .
цессов доменных печей.
После учета связи между W м и t M , подстановки W м И t r в уравнение
(79) можно получить
(t + bc l + ac l) dt M
t + 1 ,5bc lt 3 (W r а) c l t M + 3 ( Wrt; W t ) c 1
kv S
3W r dy, (82)
72
r де W м средняя теплоемкость потока шихты в диапазоне температур от
, О С
О до t M .
'Использование подстановки t M ==u Ь/2с позволяет привести выражение
(82) после интеrрирования правой части от О до у к виду
, .
kv S S и2 + k
3 W r у == , иЗ + ри + q du,
rде k == (ас о,25Ь 2 ) c 2;
Р == [0,75Ь 2 + 3 (W r а) с] c 2; .
q , [зс2(Wrt; W t ) + 1,5bc(Wr a)+0,25b3J c 3.
(83)
Далее, для получения решения необходимо разложить подынтеrральную
функцию (83) на простые дроби, для чеrо следует предварительно найти
корни уравн'ения
иЗ + ри + q ;:= О
(84)
любым из известных методов. ,
В зависимости от' значений коэффициентов р и q возможны следующие
решения.
а. Ур; внение (84) имеет три различных вещественных корня, если
q2 р3
т+ 27 <06
Тоrда решение запишется .в виде
:w: у А 101 :' -=- 8 I I + в 10 I ;, -=- ;. 1 + с 10 I :,-=-8;з 1. (85)
f"
rде
A==(8I+k)J1; B==(8 +k)J1; C==(8 +k) ; А==[(81 8з)(82 i)з)] I;
6 i корни уравнения (84).
б. Уравнение (84) имеет три вещественных корня, причем среди них
имеется кратный. Такое положение будет при
q2 р3
Т 27" ==0.
в этом случае можно получить
kv S и' и I и 81
3W r у == D (и 82) (и' 82) + Е 10 и' 81
+Рl0
и 02
и' 02
, (86)
rде D == (38 + k) А 1 ; Е == (38i + k) Lli; F == ....... [382 (281 82) + k] Ai; А 1 ===
== (01 02) 1;
б i также корни уравнения (84).
В. Уравнение (84) имеет один вещественный корень и два комплексна.
сопряженных. Такие корни появляются при условии, если (q2/4) + (р3/27) >0.
'73
Представив уравнение (84) в виде (и J.t) (u 2 +vu+f}), после разложения
на простые дроби можно записать
kvS 1 и fJ- I . и 2 + vu + 1J I
3W r y==Mln и' p. +O,5Nln (и')2+'Jи'+ +
. ,
+(2R 'JN) L {arctg [(2и + v) L] + arctg [(2и' +v) L] };' 41J > 'J2.
(R O,5vN ) Lln I 2и+v L . 2и+'J+L ' 1 - 4-r1 < V2, ( 87 )
2и' + v L 2и' + 'J + L' "'
rде М === (3р.2 + k) (fJ-2 + fJ-'J + ) 1; N == 1 М; R == [fJ- (1J k) k'J] Х
Х (f12 + p.'J + ) I; L == (у v 2 41j) 1;
J.t ' вещественный корень уравнения (84).
Температуру rазов во всех случаях можно определить из выражения
t r == t; + (t M t ) {а + О,5Ь Ct M + t ) +
+ 0,33 (3) с [t + tMt + (t )2]} W;I. (88)
t
2
2 1
W H ; W,
6
...
"J:: r:
6
t, ос
Рис. 17. Изменение теплоемкости потоков шихты (1) и rаза (2) в зависимости
от температуры и распределение температур по высоте печи при УСJJОВИЯХ:
a ( q)2+( p)3 0; ь>о; с>О; б (+ q)2+( ; р)3> о; Ь>О; с>О;
( 1 \2 ( 1 ) 3
в т q) + тр o; ь>о; с<О
Из всех возможных случаев изменения теплоемкостей потока шихты
в зависимости от температуры наиболее типичными для доменных печей
являются случаи, представленные на рис. 17. Их сопоставление со схемой
теплообмена в доменной печи (см. рис. 16) позволяет заключить, что случаЙ
а типичен для условий, существующих в шахте доменных печей, случай б
для условий, характерных в распаре, случай в описывает теплообмен в районе
заплечиков доменной печи.
74
Таким же образом можно получить уравнения, описывающие распреде.;
ление температур материала и rаза по высоте печи при любой степенной)
зависимости W м == f им), если только теплоемкость потоков rазов не меняется
при изменении температуры. Единственной трудностью при этом является
отыскание корней уравнения t: +an lt: 1 + . . . +ао==О, поскольку при n>4
не существует иных методов ero решения, кроме численных.
э. ТЕппОО&МЕН в ОРОШАЕМОА ЗОНЕ
ДОМЕННОА ПЕЧИ
Процес ы теплообмена, протекающие в высокотемпературной зоне доменной
печи,' в которой образовавшиеся при плавлении железорудных материалов
шлак и .чуrун фильтруются через коксовую насадку навстречу rазовому потоку,
сильно влияют на показзтели плавки, распределение температур кокса, чуrуна,
шлака и rаза цо высоте нижней части доменной печи.
Особенностью процесса фильтрации шлака и чуrуна является то, что
они вследствие различи физических свойств стекают через коксовую насадку
как расслоенные потоки жидких фаз. При этом одна из них (шлак) частично
покрывает поверхность кокса, а вторая (чуrун) не смачивает ее, скатываясь
по ней в виде капель и струй. В связи с этим в нижней части доменной печи
(начиная с уровня плавления железорудных материалов) происходит одно-
. ..
временныи HarpeB rазом трех потоков, коrда каждыи из них находится
в состоянии ,теплообмена с друrими потоками. Причем процесс теплообмена
осуществляется как конвекцией, так и излучением. Конвективный теплообмен
существует между rазом и всеми наrреваемыми материалами, а т кже
между шлаком и коксом, поскольку стекающий по коксу шлак частично
покрывает ero поверхность. Кроме Toro, конвективный теплообмен происхо-
дит между чуrуном и коксом и чуrуном и шлаком, но для упрощения задачи
конвективным теплообменом между этими фазами целесообразно пренебречь.
Лучистый теплооqмен происходит между тремя потоками: КОI\Сй-М, чуrуном
и шлаком.
Физическое и математическое описание задачи для иселедуемоrо случая
азвивает подход, сформулированный ю. r. Ярошенко и В. с. Швыдким
[70] при изучении ими процессов HarpeBa (охлаждения) rазом двухкомпонент-
ной шихты, и заключается в следующем.
В шахте высотой Н о непрерывным потоком сверху вниз опускается со
скоростью W2 слой кокса. В межкусковом пространстве слоя стекают со ско-
ростью движения Wl и W3 расслоенные потоки чуrуна и шлака. Каждый из
материалов характеризуется удельными повеРХНОСТЯМIi 0>1, 0>2, 0>з, плотностями
Рl, Р2нас, Р3 И удельными теплоемкостями Сl, С2, С3. Начальные температуры
, , ,
материалов соответственно равны t MJ , t M2 ,. t мз . Навстречу материалам со ско-
, п
ростью Wr движется rазовый поток, конечная температура KOToporo t r.
Теплоемкость и плотность rаза равны Cr И pr.
Решение поставленной задачи дано для случая, коrда материалы оБJiа-
дают бесконечно большой теплопроводностью, а внутренние источники и стоки
тепла учитываются величиной кажущейся теплоемкости потоков. При этом
сделаны допущения, обычно принимаемые в TaKoro рода задачах [70].
Теплопередача в рассматриваемом случае может быть описана системой
уравнений [94].
Для потока чуrуна
dt M1
CIPIWl dy == CXr 1001 (t r t),f1) + СХ Л2 1ОО1 (t M2 t M1 ) +
+ СХ лз1 (1)l (t MB t M1 );
(89)
75
для потока кокса
dt M2 ) ( )
С2Р2ПЗС W 2 dy == ar 2<U2 (t r t M2 + а К 2З<U2 t мз t M2
а Л 21 Ю l (t M2 t M1 ) + С%ЛЗ2<U2 (t мз t M 2); (90)
для потока шлака
dt мз )
СзРзWз dy == аr з<Uз (t r t мз ) С%К2З<U2 (t мз t M2 ) С%л31<Ul (t мз t M1
а ЛЗ2 Ю 2 (t мз t M2 ); (91)
для потока rаза
CrPr W r ; "......, "" (t r t м, ) + "r 2"'2 (t r t М2) + "......з "'з (t r t мз) ·
(92)
rраничные условия имеют В,ИД
, , , 11
У === о; t M1 == t M1 ; t M2 === t M2 ; t мз == t мз ; t r == t/.
(93)
Уравнение теплообмена для rазовоrо потока цел сообразно заменить
уравнением тепловоrо баланса, указывающим, что разность энтальпиЙ (тепло
содержаний) между потоком rаза и потоками материалов в любом rОРИЗ0Н
тальном сечении слоя p BHa аналоrичной разности э тальп,ИЙ в ачальном
по ходу материалов участке.
Используя преобразования Лапласа и опуская промежуточные выкладки,
получим выражения для расчета температур потоков материалов в орошае
мой части доменных печей:
4
& 1 ' ...!!.L: +
ХЗ'
, п==2
4
2 === +
ХЗ п =: 2
2 .
Pl S n + P2 S n + Р з sn Y
е ;
Sn (3s + 2x 1 s n + Х 2 )
, 3 2
2Sn + P4 S n + P5 S n + Рб sn Y
е ;
Sn (3s + 2x 1 s n + Х 2 )
, 3 2
.в.ЗS п + P7 S n + PSS n + Pg sn Y
sn(3s +2xlSn+X2) е .
(94)
(95)
4
з == + '
ХЗ п ==2
(96)
Температура rаза может быть. найдена после ПОДСТЦновки значений
'6'1, '6'2, '6'3 В уравнение тепловоrо баланса rаза:
(} == тl l + т 2 &2 + тз з + (1 т 2 &; тз{t ). (97)
Формулы для расчета параметров, входящих в уравнения (94) (96), при
ведены в работе [94].
Выражения (94) (97) положены в основу алrоритма расчета на ЭЦВМ
БЭСМ 6 температурных полей в орошаемой зоне печи. При проведении pac
четов распределения температур HarpeBaeMbIx материалов и rаза по высоте
-орошаемой зоны доменной печи важно определить ее -протяженность и влия
ние различных факторов на конечные температуры шлака, кокса и чуrуна.
Высоту зоны определили из условия необходимости HarpeBa чуrуна от TeM
пературы плавления железорудных материалов до требуемой по технолоrии
конечной температуры (l4400C).
Посколы<у в нижнеЙ части печи протекают процессы плавления железо
рудных материалов, прямоrо восстановления окислов железа, кремния, Map
[анца и науrлероживания железа, то в расчетах были учтены изменения
76
теплоемкостей потоков за счет тепловых эффектов указанных реакций. При
этом теПЛQВОЙ эффект плавления окатышей отнесли к кажущимся теплоемко
стям шлака и чуr,уна. Затраты тепла на прямое восстановление железа, KpeM
ния и марrанца отнесли к кажущейся теплоемкости кокса, а тепловой эффект
науrлероживания железа к тепл.оемкости чуrуна.
Для опре.целения кажущихся теплqемкqстей материалов необходимо было
делить тепловые эффекты химических реакций на температурный интервал
HarpeBa каждоrо из потоков. Последние велиqин:ы рассчитывали с помощью
метода последовательных приближений, что позволило определить эффектив
ную теплоемкость каждоrо из потоков материалов с поrрешностью, не пре
вышающей 0,5 %.
t1 п .м If n . м
Ll J L
U L J j
1;
4
J
J
7
2
......
1
'0
1700 1400
1600
1800 1000 '- ос
1
о
1'l00
1400
1БОО
1800 t. о [
Рис. 18. Распределение температур пото-
ков по высоте орошаемой зоны доменной
печи при QJ O,l с учетом теплообмена из
лучением (сплошные ли-нии) и без учета
теплообмена излучением (пунктирная)
Рис. 19. Распр деление теl'!iiператур потоков
по высоте орошаемой 30Hbi доменной печи
при QJ O.1 (сплошная линия); QJ==O,8 (пунк
тирная)
Анализируя результаты расчетов (рис. 18.), можно сделать вывод, что
взаимный теплообмен между потоками значительно влияет на температурное
поле в орошаемой зоне доменной печи. Так, ,разность температур между
чуrуном и коксом без учета теплообмена излучением составляет более 400 0 С,
а при учете ero Bcero лишь ,90 130°C. Kpo e тото; при теплообмене излу
чением между наrреваемыми потоками высота орошаемой зоны сокращается
в 1 ,5 2 раза.
Влияние доли поверхности кокса, покрытой шлаком ( {J), представлено
на рис. 19, из 'KOToporo видно, что с увеличением <р интенсивность HarpeBa
материалов уменьшается, а высота зоны увеличивается от 2,25 м (<р == О, 1)
до 4,35 м (<р == 0,8) '. Последнее объясняется тем, что чем меньше поверхность
контакта rаза с коксом, тем ниже конвективный теплообмен между rазом
и наrреваемыми материалами, так как коэффициент теплоотдачи ai от rаза
к коксу больше a.i от rаза к шлаку. в' сравниваемых случаях эти значения
равны 40 и 20 Вт/ (м 2 . ОС) соответственно.' ,
По этой же причине с ростом доли поверхности кокса, покрытой шлаком,
изменяется соотношение конечных температур указанных потоков. Так, при
ср==О,l температура кокса превышает примерно на 40 0 С температуру шлака,
при <р==0,4 их значения становятся, приблизительно равными, а при ,ср==О,8
77
уже шлак наrревается на 20°С больше кокса. При этом разность между TeM
пературами кокса и чуrуна возрастает от 90 дО 130°С.
Это можно объяснить следующими причинаМИ6 Во-первых, с ре>стом доли
поверхности кокса, покрытой шлаком, сокращается конвективный поток тепла
от rаза на указанные материа.цы и, как следствие, падает их температура.
А так как Ui излучением между наrреваемыми материалами .зависит от TeM
u u
пературы в третьеи степени, то одновременно уменьшается поток лучистои
энерrии на чуrун. В связи с этим при увеличении доли поверхности кокса,
покрытой шлаком температура чуrуна понижается сильнее, чем температуры
кокса и шлака.
f1 n .M
,
,
..]
1
J
J ] Нп.М
1
" ,
. \
It \
;: \
\I \
\
I
,
{НОО t, ос
2
2
1I
1200
1400
1600
1800 t. ос
о
1200
Рис. 20. Распределение температур потоков
по высоте орошаемой зоны доменной печи
при (1)==0.4; ar 2'""140 Вт/(м 2 . ОС) (сплошные
ЛИНИИ); ar 2 20 Вт/(м 2 . ОС) (пунктирные)
РИс. 21. Распределение температур потоков
по высоте орошаемой зоны при ф==О.4: paB
номерное, распределение тепловых эффек.
тов по высоте зоны (сплошные лннии);
тепловые эффекты отнесены к зоне плав
ления (пунктирные)
BO BTOpЫX, при увеличении доли поверхности кокса, покрытой шлаком,
происходит дополнительное снижение uнтенсивности теплообмена излучением,
обусловленное тем, что степень черноты шлака меньше степени черноты кокса.
На рис. 20 представлено влияние Ui от rаза к коксу на температурное
поле в орошаемой зоне доменной печи. Из rрафика видно, что при увеличении
ai от 20 до 40 втl (м 2 . ОС), высота зоны сокращается примерно на 30%.
Здесь следует отметить, что влияние значение Ui в верхней и нижней частях
доменной печи различно. В верхней части печи HarpeB материалов rазом
осуществляется при пl< 1, поэтому разность температур между rазом и ма.
териалаМIi по мере опускания последних уменьшается. В связи с этим лими
тирующим звеном в теплообмене является не значение Ui (которое достаточно
велико), а разность температур между rазом и материалами. В нижней части
доменной печи пl> 1, поэтому по мере опускания чуrуна, кокса и шлака раз
ность температур между ними и rазом достиrает 300 4000C. Вследствие этоrо
изменение значений Ui от rаза к материалам значительно влияет на интен.
сивность HarpeBa кокса, чуrуна и шлака в орошаемой зоне доменных печей.
Приведенные результаты получены при равномерном распределении теп
ловых эффектов Хliмических реакций по всей высоте орошаемой зоны печи.
Учитывая, что реакции прямоrо восстановления в основном сосредоточены
78
в верхней части орошаемой зоны печи (в зоне плавления), а в нижней части
(в зоне жидких фаз) происходит HarpeB материалов при т<l, было рассчи
тано температурное поле при сосредоточении тепловых эффектов химических
реакций только в зоне плавления железорудных материалов. Из рис. 21
видно, что в этом случае высота орошаемой зоны сокращается примерно
в 1,5 раза.
Это можно объяснить тем, что при отнесении всех затрат тепла на про
текание реакций прямоrо восстановления только в зоне плавления, в этой
зоне потребляется большое количество тепла. В связи с этим на входе в зону
жидких фаз разность температур между rазом и материалами достиrает
500 0 С. Поэтому чисто физический HarpeB потоков чуrуна, кокса и шлака
В' нижней части орошаемой зоны доменной печи осуществляется на очень
малой высоте.
Таким образом, анализ полученных результатов показал, что на темпе
ратурное поле в орошаемой зоне доменной печи сильное влияние оказывают
доля поверхности кокса, покрытой шлаком, и характер распределения тепло-
вых эффектов по высоте зоны. Для определения точных значений этих пара
метров необходимы специальные исследования.
В целом анализ особенностей теплообмена в области ropHa и заплечиков
покаЗPIвает, что высота нижней ступени теплообмена блаrодаря указанным
особенностям получается больше, чем в том случае, котда HarpeB материа-
лов до конечных температур осуществляется без их плавления.
4. РАЗВИТИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ ТЕПЛОВЫХ
ПРОЦЕССОВ В ДОМЕННОЯ ПЕЧИ
Процессы нестационарноrо теплообмена возникают в доменных печах при
нарушении режима их работы как по температурам потоков на входе в до-
менную печь (температура заrружаемой шихты, температура дутья), так и
при изменении расходов потоков шихты и rаза. Переходные процессы также
возникают при изменениях состава шихты .П дутья. Типичный переходный
процесс наблюдается при задувке доменной печи.
Уже из этоrо перечисления ясна роль, которую иrрают нестационарные
тепловые процессы в работе доменной печи, и очевидна необходимость изу-
чения закономерностей развития этих процессов. Нужно, знать продолжи-
тельность переходното процесса по одному из потоков на выходе из печи,
а также изменение поля температур по высоте слоя шихтовых материалов
с течением времени, так как уровнем температур по высоте слоя определяется
интенсивность и степень развития важных технолоrических процессов в печи.
Серьезной задачей с точки зре ия рациональноrорешения вопросов авто-
матизации-при проектировании и установлении оптимальных ре имов работы
доменных печей является также изучение динамических свойств типовых
объектов, характера возмущающих воздействий и математическое их описание.
Вопросы расчета времени переходных процессов в непрерывно действую-
щих противоточных теплообменниках, к которым можно отнести и доменные'
печи, рассмотрены в .работах [91] и [95]. В них основное внимание cocpeДOTO
чено на расчетах переходных процессов и их характеристик только в выход-
ных сечениях теплообменников.
Уравнения, полученные в работе [95], весьма' rромоздки для вычислений
и практически приrодны лишь для расчета температуры на выходе из тепло-
обменников в период пребывания в нем одноrQ, из теплоносителей. '
Проблемы распределения температуры по высоте слоя во времени при
произвольном начальном распределении температур,времени установленияста
ционарноrо распределения температур по высоте слоя, расчета времени пере-
ходноrо процесса на выходе, распределения температур в слое при непрерыв-
ном изменении температуры теплоносителя на входе и ряд друrих отражены
в моноrрафии [70].
В самое последнее время в работах М. А. Стефановича [109], Н. А. Спи
рина, Б. и. Китаева, Б. К. Сеничкина, ю. Н. Овчинникова [96, с. 89 97; 97,
79
с. 42 4б], В. Ф. Косинскоrо, С. В. Шаврина [71] исследован очень интересный
и важный для практики, особенно в связи с применением автоматических
систем управления технолоrическимИ nроцессами (АСУТП), вопрос неста-
ционарности температурных полей в доменных' печах. ОСllОВЫ теории вопроса,
подтвержденные рядом исследований на больших доменных печах, приведены
в данном разделе.
Анализ развития нестационарных тепловых процессов в противоточном
слое основан на решениях следующей физической задачи. Слой движущихся
частиц продув'ается встречным потоком rаза [70]. Частицы, составляющие
слой, имеют произвольную форму шаров, цилиндров или пластинок. Темпе
" , ,
ратура материала на входе в слой t M , а rаза tro В общем случае t M и t r MorYT
быть функциями времени. В начальный момент времени известно тепловое
состояние слоя, находящеrося в печи. Необходимо найти распределение TeM
пер'атур в любой момент времени и определить время переходноrо процесса,
Т. е. время достижения HOBoro стационарноrо состояния.
Математически задача описывается следующей системой уравнений и
краевыми условиями.
, Уравнение теплообмена для потока материалов
1 дtм 1 дtм
СмРм ( е) + СмРы ( е) ду ==
a. v
(t r t M ) + ql ('t, у) + q'2tM'
т
(98)
rде ql (т, у) источник тепла, зависящий от времени и высоты;
: q2 источник тепла, мощность KOToporo пропорциональна темпе
ратуре;
т' коэффициент массивности, учитывающий приближенно внутрен-
;, нее тепловое сопротивление материала, т.' == 1 + Bi/ (3+v);
v равно 2, 1 и О соответственно для шара, цилиндра и пластины.
Уравнение теплообмена для потока rазов
,дt r дt r a. v
CrPr д;;- + rPrWr ду ::;;: т' (t r t M ) + qз ('t, у) + Q,,,fr,
(99)
[де qз(т, у) и q4 источники тепла, действующие в потоке rаза. По своей
природе они аналоrичны источникам ql (т, у) И q2.
Задача может быть описана также и rраничными условиями: со стороны
входа материалов
,
у =::0; tM==tM('t);
( 100 )
со стороны входа rазов
у == Но;
,
t r == t r (tt);
(101)
начальными условиями
'1:==0, tM==j(y); tr== (Y)6
( 102)
Для упрощения системы уравнений следует перейти к новым переменным
у' == f (у, т) и т' == ер (у, т).
Учитывая, что
дt дt д't' дt ду' дt дt a't' дt ду'
== + и +
a't д't' a't ду' a't ду 'a't' ду ду' ду'
80
вместо ле'вых частей уравнений (98) и (99) можно записать
дt ( д'С' д't' )
СмРм (1 €) + W M +
д't' д't д У
, дt м ' ( ду' ду' ) .
+ д' СмРм (1 е) (}t" + W Мд '
) у , у
дt r ( д't' д't' ) дfr ( ду' ду' )
CrPr д't' W r ду + CrPr ду' (h"" + W r дУ .
( 103)
(104)
Следует '{' выбрать таким, чтобы выражение в первых круrлых скобках
(103) стало равным нулю. Для этоrо '{' должно быть решением уравнения
dy
d'C + == О, (105)
W r
Т. е.
't' == 't + .....L... 6
W r
(106)
Вторую ФУНКЦИЮ"можно выбрать произвольно, например у' == у. Тоrда
вместо (98) и (99) будет
" 1 ' ( I 'w M ) дt м ( 1 дt м
СмРм ( е)+ д +СмРм е) WM a ==
W r 't , У
t%
== ':,,} t r t M ) + ql ('С', у) + q2tM;
дt'r t%v ( ' )
СrРrWr д == ........., (t r t M ) + qз 't, У + q4 t r.
у т
(107)
( 108)
После введения безразмерных координат
у===
a.vy .
, ,
т CrPrWr
Z === a.v't
т'смрм (I е) (1 + WM/W r )
и безразмерных комплексов
" СмРм (1 е) W M
m== . I
, I
'. cl'PrWr ;
т'qi('t', у)
Ро; (Z, У) == ;
a. v
т'qi
POi :=: ; N:=: У I у==Н
a. v , а
система (107) и (108) преобр,азуется к виду
дt м дt м Z t
aZ + т дУ == t r t M + РО 1 ( , У) + ?2 м;
' t r t M + Роз (Z, У) + Po 4 t r .
, '
(109)
(110)
При этом соответствующие преобразования КQСНУТСЯ и краевых условий,
а именно:
, ,
У === О, t M == t M ("Z);
.
Y==N, tr==tr(Z);
Z==O, tM==f(Y).,
(111)
(112)
( 1.13 )
81
6 Заказ.JVg 97
, Решение системы приведенных уравнений при конкретных rраничных
и начальных условиях довольно сложное и трудоемкое дело и ero не всеrда
можно получить в явной фррме. Для некоторых задач подобные решения
и их анализ приведены в моноrрафии [70]. Эти задачи сформулированы ниже:
1) пуск слоевой противоточной печи или переход из одноrо стационар
Horo состояния в друroе при скачкообразном изменении температуры тепло
носителя. Эта задача решена для двух случаев, коrда мощность источников
тепла равна и не равна нулю;
2) развитие переходноrо процесса в противоточном слое, коrда темпера
тура теплоносителя на входе в слой меняется во времени по произвольному
закону;
,e.lt
0,2
О
2,5 5,0 7,5 10 2,5 .o 7,5 v
1,0 В
0,8
0,8
0,6
. 0.4
1
2
Рис. 22. Изменение темпера.
тур шихты. и rаза в пере-
ходном процессе:
а т==О,б; N==JO; б m==1,о;.
Nz:=IO; в""""! т==l,б; N:::IO
о
2.5
5,0
7.5.
v
3) развитие переходных процессов в противоточной печи при неравно.
мерном начальном распределении температуры по высоте слоя, которое воз.
никает при вынужденных изменениях режимов работы печи на то или иное
время.
Решение каждой из перечисленных выше задач может быть применено
к анализу доменноrо процесса. Здесь уместно рассмотреть без матемаtиче.
ских выкладок некоторые результаты расчетов по переходу из одноrо стацио
HapHoro состояния в друrое под влиянием изменения температуры rазовоrо
потока на входе в слой, коrда источники тепла в потоке материалов и rазе
не действуют. Представление о динамике переходноrо процесс а по объему
слоя для этоrо случая можно получить по данным, приведенным ' на
рис. 22, a 8. Каждый из них иллюстрирует деформацию температурноrо
поля для условий, весьма близких к условиям одной из областей доменной
печи: верхней ступени т==0,6, зоны умеренных температур т== 1,0 и нижней
ступени теплообм:ена пt== 1,6. На этих рисунках через 8-* и 6* обозначены
избыточные температуры по отношению к первому стационарному состоянию,
82
с KOToporo начался переходный процесс, т. е. '6*==IM .tM (У) и 8* ==t r Ir(Y).
Кривые, характеризующие изменения температур материала и rаза, при-
веденные на упомянутых выше рисунках, свидетельствуют о том, что пере-
ХОДНЫЙ процесс начинается сразу после нанесения возмущения по температуре
rаза на входе в слой. Для' данной формы представления результатов величина
возмущения всеrда равна единице. Однако переходный процесс на отдель-
ных rоризонтах слоя развивается по разному. Так, для случая т,< 1,0 стацио-
нарное распределение температуры материала по высоте наступает практи-
чески на всех rоризонтаходновременно. Некоторая разница в скоростях на-
rpeBa 'материала на разных rоризонтах наблюдается в случае т,== 1 ;0, причем
на среДI;IИХ rоризонтах слоя температура материала значительно больше
отличается от стационарной, чем на выходе. Например, для времени, равното
периоду пребывания материала в слое,
это отличие в выходном сечении co f СI
ставляет 17%. Для среднеrо же ce
чения '(У==5) оно достиrает 52%.
Еще сильнее это различие прояв 1. 5
ляется при т> 1,0.
Анализ приведенных данных по-
зволяет сделать важный вывод о том,
что при однократном возмущении по O
температуре rаза процесс приближе
ния к новому стационарно у состоя-
нию носит апериодический характер,
т. e совершается без колебаний. 0,5
Колебания MorYT возникнуть, если
во время переходноrо процесса
наносится возмущение той же при
роды, но противоположноrо знака
по сравнению с первым возму
щеннем.
Представляет также интерес ана РИс. 23. Зависимость времени установления
лиз времени установления HOBoro стационарноrо состояния "t'CT от т при по-
стационарноrо состояния. Этот период стояниых значениях N (цифры на кривых)
назван временем стабилизации; оно
, q
равно времени, необходимому для достижения tt" == 0,95tt СТ. На рис. 23 на оси
ординат отложено относительное время стабилизации, представляющее собой
отношение времени стабилизации 'tCT К периоду пребывания материала в пре-
делах данното слоя: 'tпр==У/Wме Таким образом, 'tСТ=:'tст/'tпр, На оси абсцисс
этоrо rрафика отложено отношение теплоемкостей потоков материала и rаза.
Параметром на кривых является полная высота слоя. Из рисунка видно, что
максимальное время стабилизации характерно для процессов, у которых вели-
чина n! близка к единице. При значениях отношений теплоемкостей потоков,
отличных от единицы, время стабилизации сокращается. Применительно
к доменным печам можно заметить, что продолжительность переходноrо про-
цесса для условий верхней ступени теплообмена (m==O,7 Ot9) составляет
веЛИЧИНУt несколько превышающую время пребывания материала в этой
области пеЧИ t для -условий нижней ступени теплообмена (т== 1,5 3,0) этот
'перио.ц меньше времени пребывания материала в пределах этой ступени.
Лишь для областей, характеризуемых\ т== 1,0, время переходноrо процесса
при изменении температуры rаза на входе в слой 1,2 lt7 раза превышает
время пребывания материала. Эти данные полностью соответствуют резуль-
татам расчетов, приведенных на рис. 22, а-----:--8, и позволяют сделать второй
важный вывод о том, что продолжительность собственно переходноrо про-
цесса на каком либо rоризонте слоя для потока rаза и потока материалов
одинакова и соизмерима с временем пребывания материалов. Материалы
Рис. 23 можно использовать для оценки времени стабилизации тепловых режи-
мов при достижении стационарноrо состояния или при переходе от одноrо
стационарноrо состояния к друrому при изменении температуры rаза.
.
"'-.
о
0,5
1.0
1,5
т
6*
83
Действие источников тепла на продолжительность переходноrо процесса
проявляется по разному. Наличие источников (стоков) теП,ла, мощность KOTO
рых пропорциональна температуре, увеличивает в общем случае длительность
переходноrо процесса. Наличие же источников тепла, некоторым образом pac
пределенных по высоте слоя и во времени" практически не при водит к увели
чению переходных процессов B время пуска или при переходе к новому
стационарному состоянию. \.:,
Исследования в этом направлении были продолжены в самое последнее
время Б. и. Китаевым, ю. Н. Овчинниковым и Н. А. Спириным [97, с. 42 46].
Конкретная их цель заключалась в выявлении количественных зависимостей
длительности и специфики переходных процессов теплообмена от вида воздеi1
ствия и в определенных пределах от конкретных условий работы печи в ши
роком диапазоне изменения параметров плавки и в определении тех воздей
СТВIfЙ, которые позволяют стабилизировать температурные поля, деформируе
; cт
: l
J
2
..,
,
1
0,6
0,8
8
7
б
S
N=1S
а
1,0
5
1.5
2,5
т
Рис. 24. Влияние начальноrо тепловоrо состояния слоя на длительность переходноrо
процесса:
а т<I,O; Ат:::оО,2; б т>I,O; Aт== O,2
мые периодическим выпуском чуrуна и шлака. Изучались и друrие важные
в научном и прикладном отношении вопросы нестационарноrо теплообмена
применительно к условиям доменных печей: развитие переходных процессов
в противоточном продуваемом слое при наличии продольной теплопроводности
в слое, при наличии двух компоненто в шихте аrломерата и кокса. Pe
зультаты аналитическоrо исследования получены с использованием известноrо
метода прямых.
Анализ переходных процессов теплообмен с применением метода плани
pOBaHHoro эксперимента позволил определить длительность переходных про
цессов при скачкообразном изменении скорости движения материала или rаза
(или обеих сред одновременно). При изменении расхода rаза теплоносителя
необходимо учитывать зависимость безразмерной высоты слоя У и безраз
MepHoro времени Z от коэффициента теплоотдачи и скорости rазовоrо потока,
что нетрудно осуществить при решении задач на ЭЦВМ. Этот случай в MaTe
матическом плане соответствует нестационарному теплообмену при новых
параметрах (WM, W r и др.) работы слоя, коrда к моменту начала переходноrо
процесса в слое уже существовало температурное поле, сформировавшееся
под влиянием иных параметров.
Воздействие начальноrо тепловоrо состояния на вреМЯ переходноrо про
цесса при различных значениях N приведено на рис. 24. При т< 1 время
установления стационарноrо температурноrо поля, как правило, возрастает
с увеличением т, а для пt> 1, наоборот, уменьшается с возрастанием nz.
84
Такая зависимость "( СТ от nl, объясняется изменением высоты слоя, в котором
происходит интенсивный теплообмен (активная высота слоя). Для случаев
пl« 1, пl 1 теплообмен завершен на небольшом участке по высоте слоя.
Остальная часть слоя, rде температура материала мало отличается от темпе
ратуры rаза, является «холостой» и фактически не участвует в переходном
процессе. Время пребывания материала в пределах этоrо участка не увеличи
вает длительности переходноrо процесса теплообмена.
Следует 01:ме,ТИТЬ, что качественное .влияние начальноtо тепловоrо состоя
ния слоя И ero высоты на время . стабилизации совпадают при нанесении
возМ-уще l! ,как по отношению теплоемкостей шихты и rаза, так и темпера
турыl теплоносителя на входе в слой. В то же ,время длительность переходноrо
процесса по n! значительно выше, чем при изменении температуры rаза на
t с /то
J
т= 1.0
,
1
0,9
I
0,8
. 1, fj
2.0
m:::.J,O
о
J
q
13
N J
5
7
t5
N
Рис. 25. Зависимость времени установления стационарноrо температурноrо поля ОТ
ВЫсоты слоя:
а т<l,О; т-=_ O,2; 6 т>l,О; т==O,2
1,
входе. Так, например, при N==lO, Дт==О,2 и nl==O,7 величина "( СТ ==2,8 (см.
рис. 24). При пуске же с.лоевоrо теплообменника с N 10 за счет изменения
температуры rаза на входе при т==О,9 '[СТ== 1,1 (см. рис. 23), т. е. почти
в 2,5 раза меньше. Такая разница во времени установления стационарноrо
состояния обусловлена неодинаковыми закономерностями перестройки полей
температу.р в слое по различным. каналам воздействия. При изменении !,TeM
пературы .rаза на входе в слой относительное распределение температур MaTe
риала и rаза [&== (tM t )/(t; t ); б===(tr t )/(t; t )] по высоте с оя
перед нанесением возмущения и после установленноrо HOBoro стационарноrо
состояния совпадают. В случае изменения отношения теплоемкостей шихты
и rаза температурное поле будет друrим, не только в переходно процессе,
но и в новом стационарном состоянии, т.' е. произойдет полная перестройка
полей. Это приводит к увеличению продолжительности переходных процессов.
В отличие от переходноrо процесса, вь з анноrо изменеlшем температуры
rаза на входе, время установления стационарноrо состояния зависит от
величины воздействия. На рис. 25 представлены характеристики времени CTa
билизации в функции от Дт при различных значениях т. Влияние Дт на
ТСТ неоднозначно. При т<1 с увеличением Дт, т. е. отношения теплоемко
стей шихты и rаза, время стабилизации растет, а при т> 1 уменьшается.
85
Такой характер зависимости обусловлен, цо видимому, тем, что для nepBoro
случая с возрастанием Дпl сокращаются \размеры зоны y epeHHЫX температур
и большая высота слоя вовлекается в «активную» зону. Во втором случае
происходят противоположные изменения. .
При ,выпуске чуrуна и шлака изменение скоростей движения шихты,
а следовательно, и отношения теплоемкостей потоков происходит не скачком,
а постепенно, в первом приближении по закону прямой. :Целесообразно
возникающей при этом нестационарности дать количественную оценку и
выявить некоторые особенности изменения температуры на. различных TO
ризонтах шахты по ходу выпуска, которые трудно установить эксперимен
тально. Исходные данные для расчетов приведены ниже:
Температура материала на входе в слой, ОС. . . . . . .
Теплоемкость кДж/(кr.ОС):
материала . . . . . . . . . . . .
rаза . . . . 6 . . . . .
Насыпная масса, кт/м 3 . I . '. .,. . . .
Коэффициент' теплоотдачи, Вт/(мЗ.ОС) . .
Скорость движения rаза, м/с. . . ,. .
Высота верхней ступени теплообмена, м .
Длительность выпуска, мин 6 , 6 1. . '. . . . . .
Цикличность выпусков, мин. . . . . . . .
Отношение теплоемкостей в верхней ступеlJИ теплообмена:
в начале выпуска .'. _. . . . '
в конце выпуска. 1. . . . . . . . . . . . . . . . . .
'Учитывая, что пульсация схода шихты H нарушает завершенности тепло-
<обмена в доменной печи, было принято, что температура rаза, поступающеrо
в верхнюю ступень теплообмена, по
стоянна и равна 900 0 С. Результаты
расчетов приведены на рис. 26. Наи-
большие колебания температуры ма-
териала 'по ходу плавки, наблюдае
Mbie на расстоянии 4 м от уровня за
сыпи, составили 55 0 С. Температура
материала в верхней и нижней ча
стях слоя изменялась значительно
меньше. Расчеты показали, что MO
мент изменения температуры MaTe
риала и rаза существенно запазды
вает относительно изменений скоро-
сти схода материалов. Следует
отметить, что время запаздывания
возрастает от верхних rоризонтов
к нижним, а ero средняя величина
зависит от скорости изменения, 'пl.
При скоростях изменений т, равных
0,27 и 0,16 l/ч, среднее время запаз-
дывания составляло соответственно
12 и 20 % периода колебаний.
0,9
t О[
.
1,00
;::,
08
.
..
07
О
JO
БО
5S0
90 r, HU/f
,
,
120
/
........",/
470
'" "
,
240
390
160
БОа
580
7БD
,20
ItO
О
tJ 500
120 О
е
60 120
С. м 1I Н
60
86
100
1,02
1,485
1200
2500
2,0
12
45
120
0,7
0,9
8
РИс. 26. Характер изменения температур-
ных полей в шахте доменной печи по
ходу выпуска на расстоянии под уровнем
засыпи:
а 0.5 м; б 2 м; 8 4 м; 2 5 м.
Сплошной линией показана температура
материала, пунктирной температура rаза.
В Ч выпуск чуrуна ;
Не менее интересна оценка влияния продольной теплопроводности слоя
на характер развития переходных процессов. Система уравнений, описываю
щая теплообмен для этоrо случая, имеет вид
at M + at ы t t + л А 72 дЧ м
дZ т дУ :::::i r ы ,Н.1У дУ2
дt r
дУ ;:;. t r t M
1
I
С краевыми условиями
У===о, tM==tM(Z);
дt м I Р
Y==N, tr==tr(Z);. дУ Y==N== ;
Z == О, t M == f ( У)
Данную систему решали с использованием метода прямых на ЭВМ M 222.
В отличие от слоя с пренебрежимо малой теплопроводностью нестацио
нарное . температурное поле, является не только функцией Z, У, пl, . пl, но
и безразмерноrо омплекса AN2,." xa
рактеризующеrо величину продольноЙ
теплопррводности В, слое. Влияние
параме ров У, nl, !!J.m на время пере
ходноrо процесса теплообмена было
исследовано ранее. Поэтому здесь
оrраничимся лишь анализом специ
фики .переходных процессов в слое .......
при наличии фактора продольноЙ ...;
теплопроводности. Из рис. 27 следует, .....
....,
что наличие теплопроводности слоя ,
лонижает на всех rоризонтах темпе . 0 , 4
ратуру материала и rаза, а это обус :t
ловле но оттоком тепла в r лубь слоя. .::::.
РеЗУЛl.>таты расчетов переходных
процессов теплообмена на различных
rоризонтах слоя при ступенчатом из
менении т представлены на рис. 28.
. Специфика нестационарных теплооб
менных. процессов при наличии про
дольной теплопроводности заклю
чается, во первых, в уменьшении Bpe
мени переходных процессов теплооб
мена в слое. Так, при AN2== 1 время
переходноrо процесса уменьшается
почти в 1,5 раза по сравнению со
случаем AN2==0 (см. рис. 28, а).
BO BTOpЫX, особенность переходных процессов состоит в том, что выравни
вается скорость HarpeBa (охлаждения) материала на различных rоризонтах
слоя. Из рис. 28, б следует, что при z== 12 и AN2==0 максимальная разность
в относительных температурах материала по высоте слоя составляет 0,45,
а дЛЯ AN2== 1 этот показатель понижается до 0,12. .
Анализ показывает, что для условий работы доменной печи, rде наблю
дается относительно большой rрадиент температур в высокотемпературной
области слоя, величина AN2 может достиrать существенных значений. Поэтому
для анализа переходных процессов теплообмена в заплечиках и распаре
необходимо использовать решения, учитывающие наличие продольной тепло
ПРОводности. В то же время для шахты доменной печи; rде уровень темпе
ратур и их rрадиент сравнительно невелики, значение AN2 очень мало.
(114)
(115 )
( 116)
( 117)
(118)
о
0.8
,
8
у
РИс. 27. Динамика температурных полей
слоя при ступенчатом изменении т от 0,7
до 0,9: N==lO; р-=о; AN2-=O (сплошные ли
нии); AN 2 r:=.'I,O (пунктирные):
1 't==O; 2 't==O,5; 3 't 0,75; 4 't== 1,0 '
87
"j
Поэтому анализ тепловой работы верхней зоны теплообмена целесообразнее
, выполнять по решениям, представленным в работе [70].
Проведение расчетов температурных полей для конкретных условий pa
боты доменной печи в настоящее время невозможно из за отсутствия экспе
, риментальных данных о величине продольной теплопроводности слоя в зоне
расплава.
- Анализ нестационарноrо теплообмена в двухкомпонентном слое особенно
: актуален применительно к доменным печам, шихта которых состоит мини
мум из двух материалов с резко различающимися теплофизическими свой
ствами (кокс окатыши, кокс аrломерат), между которыми взаимный
теплообмен осуществляется при высоких температурах.
, Исследование этих процессов связано с решением следующей задачи.
В слое высотой Но непр рывным потоком сверху вниз движется со CKOpO
С,тями Wl И W2 смесь двух твердых материал<?в, каждый из KOT pЫX xapaK
...... п 8
, .. ' '.,
I
...
, "to..;)
""
..
. 0,4
,
........
l'
!
а
? r ст
з
.5
7
t5
9 v
'0
Рис. 28. Характер переходноrо процесса в слое при наличии продо.льной теплопроводности:
a t}:;>f('(CT, У. AN2); б t} f(У, Z, AN2). Значения У2: J 2.0; 2 4; 3 6; 4 8;
AN2 O (сщюшные линии); AN2 l.o (пунктирные)
теризуется долей в шихте qJl и qJ2, удельной поверхностью 0>1 и 0>2, насып
ными массами Рlпас И Р2иас; начальные температуры материала равны COOT
I ,
ветственно t M1 и t M2 . [аз движется навстречу материалу со скоростью Wr.
Удельные теплоемкости материала и rаза равны См, Cr. Теплофизические
свойства материалов зависят от температуры, а коэффициенты теплоотдачи
от rаза к материалу от скорости rаза и равны соответственно аР} и aF2.
Тепловой поток от rаза к слою определяется законом Ньютона, т. е. про
порционален разности' температур между rазом и материалом. Взаимный
теплообмен между кусками слоя с.. различными теплофизическимисвойствами
определяется законом Стефана Больцмана. Внутреннее тепловое сопротив
ление кусков учитывается коэффициентом массивности. Задачей исследова
ния является изучение изменений температуры материалов и rаза во времени,
, , ,
а Wr, Wl, W2, t мl' ' М2 ' t r произвольные во времени функции. .
Задачи по теплообмену обычно решаются в относительных температурах,
Но в том случае, коrда теплофизические свойства сред и взаимный тепловой
поток между разнонаrретыми материалами определяется их уровнем HarpeBa,
необходимо использовать абсолютные значения температур.
Уравнения теплообмена имеют следующий вид:
для первоrо компонента
( t дtМl дt Мl
ICl (t M1 ) Р1НЗС MI) д't + tflCl (t M1 ) РlНЗС (t Ml ) Wl ('t) ду
а р \ (W r ) "'\ (t r tмд + 'I'\2"'\С пр {( i y ( i;; )4] ; (119)
.88
для BToporo компонента
( ( дtМ2 ( дtМ2
. <Р2 С 2 t M2 ) Р2нас. t M2 ) д't + <Р2 С 2 t M2 ) Р2нас (t M2 ) 'W2 ('t) ду :=:;;;
rJ. F2 (W r ) "'2 (t r t M2 ) + 'l'21"'2 С пр [( ;; )4 ( . ;o п ;
для rаза
, at r
CrPrWr ('t) ау == а Р1 (w r ) 001 (t r tмд + а Р2 (w r ) 002 (t r t M2 ).
(120)
(121)
;
. rраничные и начальные условия
, ,
.у == О, t M1 == t M ('t); t M2 == t M2 ('t); (122)
,
У == НО' t r == t r ('t); (123 )
. 'С:'== О, t M1 == 11 (у); t M2 == /2 (у). (124 )
При такой постановке задача не имеет аналитическоrо решения, так как
уравнения, описывающие лучистый теплообмен между кусками, относятся
к классу нелинейных, поэтому решение осуществляли численным методом
с использованием ЦВМ. .,
Исходные данные для расчета температурных полей в шахте доменной
печи при ступенчатом изменении скорости опускания материала приведены
в табл.. 2.
ТАБЛИЦА 2
ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА ТЕМПЕРАТУР КОКСА И АrЛОМЕРАТА
в ПЕРЕХОДНОМ ПРОЦЕССЕ
I . '.
Параметры
Аrломерат
КОКС
rаз
Температура на входе в слой, ОС . 400 20 900
Поверхность 1 м З шихты 6 . . . . . 125 25
/
Теплоемкость, кДж!(кr.ОС):
материала . . . 6 . . . . . . . 0,900 1 ,200
rаза . . . 6 . . . . 6 . 6 . . . . 1 ,500
Насыпная масса, Kr/MB . . . .. . . . 1800 ':( 600
:'
Коэффициент теП.,IIоотдачи, Вт! (м 2 Х
10 ".", 30
ХОС) .. . . . . . . . . . . 6 . .
Скорость rаза, м/с. . . 6 1,75
Скорость движения материала, м/с:
до нанесения возмущения . . . 0,0016 0,0016
· после нанесения возмущения . . 0,022 0,0022
Предполаrается, что канал, образованный смесью частиц, представляет
собой замкнутую систему двух поверхностей. В этом случае приведенный
коэффициент излучения С ПР и уrловые коэффициенты (f)12 и СР21 можно опре-
делить по данным работы [70].
Сопоставление резу ьтатов расчетов показывает (рис. 29, а, б), что
наличие фактора взаимноrо лучистоrо теплообмена выраВI:Iивает скорости
89
HarpeBa или охлаждения обоих компонентов, и уже для rлубины 2 м ниже
уровня засыпи кривые переходных процессов для кокса и аrломерата совпа
дают. Существенная разница в характере переходноrо процесса отмечается
только на незначительном участке высоты слоя из за различий начальных
температур заrружае1\'IЫХ материалов. Кокс вследствие ero низкой начальной
температуры получает тепло от аrломерата и быстрее выходит на стационар
.......
,:r.D.8
,
.....
I
...
.........
. :t
......
, 04
,
......
'--
"
о
0.5
1. О
1)
2.0
r ст П
O,S
O
1,5
2, о r ею
Рис. 29. Изменение температур аrломерата и КОКса в переходном процессе:
а при наличии взаИl\lноrо теплообмена между компонентами; б при отсутствии
взаимноrо теплообмена между твердыми компонентами; О кокс; 6. аrломерат
ный режим. При отсутствии взаимноrо лучистоrо теплообмена ра.зличия
в скоростях HarpeBa или охлаждения наблюдаются на большем участке
высоты слоя, и кривые переходных процессов совпадают лишь на выходе из
теплообменника. В верхней части слоs;I, пока температура аrломерата пре
вышает температуру кокса, инерционность для кокса меньше, чем для аrло
мерата, так как в этой части слоя аrломерат передает тепло коксу. В той
части слоя, rде кокс переrревается относительно аrломерата, вследствие MeHЬ
шей объемной теплоемкости первоrо происходят противоположные изменения.
В то же время для современных условий работы печей, особенно в шахте,
фактор компонентности слоя практически не влияет на длительность пере
ходноrо процесса теплообмена.
r n а в а 111
РАЗВИТИЕ ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ
И rИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЯ
При математическом описании явлений теплообмена и BOCCTa
новления между ними можно провести определенную аналоrию,
связанную с характером поrашения потенциалов процессов по
высоте слоя. Для теплообмена таким потенциалом является раз
u
ность температур потоков теплоносителеи, а для восстаНО,вле
u .
ния разность деиствующеrо и paBHoBecHoro парциальных дaB
ленин восстановления (в изотермических условиях) или ero KOH
центраций (при постоянном давлении). ОДНflКО, как увидим
u
в дальнеишем, это далеко не полная аналоrия.
Прежде Bcero потенциал теплопереноса связан с состоянием
обоих потоков, в то время как потенциал восстановительноrо
90
процесса не зависит от состояния (степени восстановления)
железорудноrо материала. Кроме Toro, если коэффициент теп
лоотдачи в уравнении теплообмена сравнительно мало изме"'
няется по высоте слоя, то коэффициент ма,ссообмена при вое..
становлении существенно зависит от степени восстановления ма..
териала и, следовательно, будет переменным по ходу процесса.
Это отличие объясняется определяющим влиянием диффузион"
.
HЫ И химических сопротивлении при восстановлении KycKoBoro
железорудноrо материала, тоrда как при теплообмене в слое
лимитирующим обычно является внешнее сопротивление. YKa
занные особенности восстановительноrо процесса, как, впрочем,
и друrих физико химичеtких процессов, во MHoroM предопреде
u
ляют отличие в результатах теоретическоrо анализа явлении
тепло и массообмена в слое при кажущейся одинаковости ИХ
'u
математических моделеи.
f. ПРИ&JlИЖЕННОЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ
ПРОЦЕССОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ
, .,
Процесс восстановления железа из окислов rазообразным восстановителем:
описывается реакциями первоrо порядка. В этом случае для простейших.
. . .
условии постоянных температур и давлении в качестве химическоrо потен ,
циала можно использовать потенциал, выраженный непосредственно чере
концентрации восстановителя или продукта реакции в rазовой фазе. В лите
ратуре известны два способа записи концентрационноrо потенциала для reTe
роrенной реакции вида
,
Х(rаз) + У(тверд) == ХУ(rаз) + У(твеРJI) (125),
(например, СО+РеО==СО 2 +Ре); первый из них
ДС 1 == С х С Х (126)1
очень наrляден при rрафической интерпретации процесса поrашения потен ,
циала по BЫ OTe слоя и поэтому более удобен для качественноrо анализа
полей концентраuии в доменных печах. Именно этот метод используют в pa-
ботах УПИ [89, с. 118].
Друrую запись потенциала
!lC 2 == С х КС ху (127)"
удобнее использовать для количественных расчетов в реальных условиях npo
мыш енных arperaToB (при постоянстве суммы концентрации Сх+С у , nepe
менной температуре и т. д.). ' ,.
Соотношение между этими двумя системами записи очень простое:
ДС 2 =s: !J.C 1 (1 + Ю. (128)"
Переход в расчетах. от одной системы к друrой иллюстрируется рис. ЗО".
Используем обе системы записи концентрационноrо потенциала: первую rлав
ным образом для изображения общей картины процесса в слое; вторую,у
в основном для расчетов, тем более, что именно во второй системе.
ВНИИМТом были получены обширные данные по коэффициентам массооб
мена восстаъювительноrо процесса [70].
Итак, скорость процесса восстановления можно определить, например".
в первой системе по следующему выражению:
V === К (с х С х ). (129).
91
. ."с
':,
rде К константа скорости реакции, см/с; ;,'
v скорость расходования восстановителя, отнесенная к единице реаrи-:'
рующей поверхности, см 3 / (см 2 · с) .:;.:
CTporo rоворя, выражение (129) справедливо при подстановке в качестве"
С х значения концентраций, измеряемой непосредственно на поверхности pea
rирования, в то время как в условиях эксперимента со слоем кусковых ма-
териалов обычно можно определить только концентраЦИIQ в потоке rаза"
(в межкусковом пространстве слоя). Как увидим в дальнейшем, применение
диффузионно кинетическоrо метода для описания процесса восстановления
в слое позволяет при записи потенциала использовать концентрации в потоке
rаза. При этом коэффициент пропорциональности в кинетическом уравнении
включает в себя сумму химическоrо и диффузионных сопротивлений (анало-
rично суммарному коэффициенту тепло-
передачи в теории теплообмена), и ero
можно назвать суммарным коэффициен-
I том массообмена.
Тоrда обrцее уравнение скорости
восстановления в слое в дифференци-
альном виде можно принять следую-
щим:
(",:)
t...::J'"
d V х === К 'ЕЕ (С х С х ) ooS d у,
(130)
rде V х количество прореаrированноrо
восстановителя, см 3 /с; .
[( Е'Е суммарI,IЫЙ коэффициент мас-
сообмена в слое, см/с. ,1
В уравнении (130), суммарный коэф-
,фициент массообмена отмечен знаком
1:1:, чтобы отличить принятую В данном
случае первую систему изображения по-
тенциала, а высоту слоя отсчитывают
от входа потока rаза.
Между тем то же приращение dV х можно определить по изменению
концентрации восстановителя в потоке rаза:
dV х === Gr dC x '
Из выражений (130) и (131) получим новое дифференциальное урав-
нение для изменения концентрации по высоте слоя:
G r dC х === K'EE (с х С х ) ooS dy. (132)
Интересно провести следующую аналоrию между массо- и теплообменом
в противотоке. Очевидно, аналоrом теплоемкости потока материала (ero во-
дяноrо числа) при массообмене может служить количество восстановителя,
стехиометрически необходимое для полноrо восстановления Bcero железа pyдь .
Обозначим эту величину, представляющую по 'своему физическому смыслу так
называемую массоемкость потока материалов, через w:. Между тем общее
количество восстановителя, которое мощет быть израсходовано на процесс,
равно
W; == Qr (c с х )'
[Н
.
Рис. 30. rрафическое представление
о концентрационном потенциале и кар.
тине ero поrашения в слое:
6.С 1 потенциал в системе С Х с х ;
6.С 2 потенциал в систе'ме С х КС ху
(131)
.
(133 )
,
Величина W r представляет собой «химическую возможность» или массоем-:
кость потока; rаза.
TorAa, обозначив через ер относительную степень восстановления железа
(долю отнятоrо кислорода окислов железа) и через С относительный потен-
циал массообмена, равный
С == (с х с x )/(c С х )'
92
можно очень просто записать уравнение материальноrо баланса для встреч
ныХ потоков rаза и материала:
w= d == W; dC. (134)
Как видно, отношение (134) совершенно аналоrично балансу тепла в проти
вотоке, выраженному через теПJ'юемкости потоков {'аза и материала (их
*
водяные числа)'. Следовательно, 13еличина W м является массообменным aHa
*
лоrqМ теплоемкости потока матеРиалов, а величина W r соответствует тепло
емкости потока rаза при теплооб ене.
Если учесть, что отношение Gr/S равно скорости потока rаза Wr на
полное сечение аппарата (при нОрмальных условиях), и употребить объемный
коэффициент массообмена Kr. v==J( -т;т,ю, то уравнение массообмена (132) можем
записать в виде rрадиента ОТНОС тельноrо потенциала по высоте слоя:
(dCjdy) == ( Kr.vIWr) с.
(135)
Таким' образом, уравнения (134) и (135) описывают массообмен в слое
в самом общем виде [70].
Общая картина массообмена в противотоке rаза и материала может
быть щ)лучена решением системы уравнений (134) и (135) при постоянном
(среднем) значении cYMMapHoro КоэФФициента массообмена, т. е. K v==const.
Во мноrих практических случаях этОrо достаточно для приближенных pac
четов. Однако относительно этоrо допущения сл:е.li.у 't сделать одно небольшое
замечание. .
Поверхность реаrирования В химическом противотоке неизменнq убы.
вает и может дойти дО О, в то время как поверхность HarpeBa либо остается
постоянной, либо увеличивается за счет измельчения кусковых' материалов.
Если при расчете пользуются Объемным коэффициентом массообмена K Ev ,
то именно он отображает умеНьшение поверхности реаrирования так же,
как и увеличение BHYTpeHHero ДифФузионноrо сопротивления за счет yr луб
ления фронта внутрь куска (при этом K y по ходу пр'оцесса уменьшается).
Следовательно, для расчетов по Уравнению (135) при K1!v==const необходимо
знать закон осреднения К 11 V по BbIcoTe слоя.
Полаrая. что коэффициент 1\1ассообмена является' ФУНJ{цией только вы.
соты слоя, решение уравнения (135) можно получить в следующем виде:
Но
In С" == r Kr.v Y dy. (136)
W r J
о
Правая часть соотношения (136) представляет собой среднеинтеrральное
значение коэффициента массообмена по высоте слоя Н о, зная которое имеем
право вести расчет С" по ураВНению (135) при Kr.v==const, хотя расчетное
распределение концентрации по Высоте слоя в этом случае и не будет точно
соответствовать действитеЛЬНОСТIi. Практическое определение среднеrо зна
чения К r.v представляет большие трудности, поэтому для рассмотрения самых
общих закономерностей массообменноrо противотока можно оrраничиться
сделанным допущением.
По аналоrии с теплообменом в слое можно выделить два основных
типа массообменноrо ПРОТИВОТОl{а в зависимости от соотношения массоем.
костей потоков \v;/w=.
* *
Тип противотока W r < W М. В этом, случае (рис. 31, а) может быть пол
ностью использована восстаНОВИТельная способность потока rаза (при идеаль
нои завершенности процесса), 1-10 даже при этом условии железо не будет
восстановлено до конца. '
93
Проинтеrрировав уравнение (135), получим выражение для зависимости
концентрации восстановителя от высоты слоя:
С == ехр ( KEVy/wr). (137)
Для продуктов реакции (например, СО 2 ) имеем несколько друrое урав.:
нение:
СО 2 / СО 2 == t ехр ( KEVy/wr).
Значение ер получим, использовав уравнение (134), из KOToporo следует,
что для завеРIllенноrо противотока
f == С (w:/W ).
На выходе материалов из аппарата достиrается максимально возможная
степень восстановления для случая
п * ; *
f === W r W M '
(138)
( 139 )
(140)
поскольку здесь с== 1, а для текущеrо значения степени восстановления
имеем
f == (W;jW=) ехр ( KEvy/wr). (141.,.
Высоту аппарата в случае w;< w: для заданноrо использования BOCCTa
новительной способности rазовоrо потока (1 c) рассчитать весьма просто.
Н'апример, при 95% HOM использовании восстановительной способности' rазо
Boro потока, т. е. при С==О,О5, получим ln с==":"",,,"з, и формула для BblCOTbf
arperaTa примет вид
УО,95 == 3w r /K EV 6 (142)
'Наполовину процесс завеРIllитея на высоте
УО,.5 == О, 69w r /K IJV . (143)
Тип противотока w; > W:6 При этом условии поток материалов может
быть обработан полностью, т. е. все окислы железа будут восстановлены,
а rазы выйдут из противотока использованными ЛИIllЬ частично, как это пока
зано rрафически на рис. 31, б.
Нп,М
а
о
,
I
о
LJ
10
1 О
1
с"
Рис. 31. Три типа массообменных противотоков:
* * ...... *
а W < W , к ==const; б w > W t К ...const;
r м Ev r м V
К ==K о...... ер)
EV O
B W*>W*
r м'
94
* *
Расчет массообмена в противотоке при W r > W M и /(Еv==сопstQтличается
тем, что полное завершение процесс а (<р == 1) может быть получено при ко.
нечном значе'нии высоты слоя. Следовательно, уравнение (135) справедливо
в случае w;> W; при условии <p 1. На остальной высоте слоя должно
выполняться условие
dC/dy == d'P/dy == о.
(144)
Решив совместно уравнения (134) и (135) для случая завершенноrо про.
тивотока, получим
( * )
,W r КЕуУ
." w:. I [ех р ( W r ) 1] ,
(145)
r де высоту слоя отсчитывают навстречу потоку rаза.
Отсюда следует, что высота слоя, необходимая
ления окислов железа, равна
Kr.v' ( W; )
У l о == ln 1 .
, W r \ W;
для полноrо BOCCTaHOB
* *
Для завершенноrо противотока в случае W r > W M баланс кислорода
можно записать как
(1 'Р) === W;"(1 С); (146)
максимально возможному использованию rаза при этих условиях со ответ.
ствует минимальное знаqение относительноrо потенци ла на выходе rаза из
слоя
С Н == 1 W=/W;, (141)
которое получается из соотношения (146) при <р==о.
'* *
. Следует подчеркнуть, что в реальной обстановке для случая W r > W M
кривые MorYT быть выпуклыми относительно оси абсцисс (см. рис. 31, 8)
вследствие уменьшения коэффициента массообмена (вплоть до нуля) с ростом
степени восстановления. '.. :1
Если принять во внимание реальные степени восстановления <р в шахте
доменной печи, составляющие от О до 0,5, то соотношение массоемкостей
W * jW *
r м качественно можно обнаружить по выпуклости кривых СО 2 (у).
При равенстве так называемой массоемкости потоков rаза и материала,
* * '
т. е. в случа , если W r == W м' полному использованию восстановительной спо
собности rаза (С" == О) соответствует восстановлен'ие железа на 100 % (ер == 1) ,
что теоретически возможно также при бесконечно большой высоте слоя. Что'
касается формы кривых, то она может быть весьма различной, от прямых
линий до сложныI.. Этот случай здесь не рассматривается, так как он очень
неустойчив и на практике, как правило, не встречается.
* *
Отметим также, что характер кривых для случая W r < W M (см. рис. 31, а)
полностью соответствует реальным условиям шахты доменной печи, rде Ha
*
чальная концентрация С х определяется степенью развития прямоrо восстанов-
ления в нижележащей области печи.
Таким образом, даже самая простейшая математическая формула явлений
массообмена в противотоке позволяет воссоздать общую картину процесса
изотермической области в доменных печах.
"
, "
95
,
I Применительно к условцям доменных печей необходимо рассмотреть
более сложный комплекс явлений, в частности наличие реакции двуокиси
уrлерода с уrлеродом кокса, изменение paBHoBecHoro состава rаза по высоте
печи вследствие изменения температуры и последовательноrо восстановления
железа из высших окислов и т. д. О плодотворности TaKQrO подхода к изу
ч нию рассматриваемых явлений свидетельствует, в частности, факт" что
еще до проведения экспериментальноrо определения коэффициента массооб
мена в слое Б. И. Китаеву удалось теоретически предсказать и объяснить
наличие двух максимумов скорости накопления двуокиси yr лерода в rазе
по высоте доменной печи. Впоследствии это было доказано экспериментами
мноrих исследователей непосредственно на промышленных доменных печах
[82, 89].
1. О ЩАЯ КАРТИНА КОНЦЕНТРАЦИОННЫХ ПОЛЕJiI
В ДОМЕННОЯ ПЕЧИ И ИХ АНАЛИЗ
По аналоrии с теплообменом поля концентраций ,также сложные, т. е. co
стоят из полей всех трех типов элементарных противотоков. Причем законо
мерности изменения концентраций (рис. 32) в верхней части доменной печи
(в верхней ступени теплообмена в зоне умеренных температур) можно pac
пространить на большинство друrих шахтных полей.
В объемах верхней ступени теплообмена и зоны умеренных температур,
как известно, практически реакция СО 2 +С==2СО не идет., На ,этом OCHO
вании ход накопления СО 2 можн'О описать как
результат р.азвития только реакции непрямоrовос
становления окислов железа, так как в COBpeMeH ,
ных условиях карбонаты в шихте практически OT \
сутствуют. ' i '
Этот процесс характеризуется одним коэффи
циентом массообмена коэффициентом скорости
восстановления. Для полей СО и СО2 точне на
зывать этот параметр коэффициентом скорости
накопления СО2, который cTporo rоворя является
функцией температуры. Но в данном случае, по -
скольку На высоте зоны умеренных теМПератур
u 1
температура почти постоянна, а в верхнеи ступени
теплообмена реакция только начинается, ero
Рис. 32. Изменение фактиче можно принимать таким, как для зоны YMepeH
екой концентрации СО 2 (1) ных темпе р ат ур , т. е. П р име р но дЛЯ 850 0 С.
при изменении равновесной
концентрации СО 2 (2) по В объеме этой зоны MorYT иметь место все три
прямой линии W * < W *' 'VJ' W * w* w*
случая: r м; w r* > м; r === М'
ДЛЯ потока rаза все предыдущие рассуждения об элементарных типах
противотоков остаются в силе. Они только дополняются равновесной rpa
. ' *
ницей, т. е. С х , которая по мере уменьшения расхода rазов или W r craHd
вится равновесной концентрацией компонентов, в данном случае СО. Поэ.тому
поля концентраций приходится рисовать на поле диаrраммы не от О, а от СО.
Например, для данноrо случая доменной печи поле СО по высоте слева
будет оrраничено характеристикой СО, а справа исходным колцчеством
СО' ,,:, 41 %, которое, вообще rоворя, определяется степенью развития прямоrо
восстановления.
При w; < w (подавляющее число случаев современной практики) цоля
представлены в виде кривых на рис. 33. Здесь по линии АВ rазы отдают
* * .
L\CO == 41 СО. По закону противотока W r L\C == W м L\<p. Поэтому L\cp ==
* ! * * W * "
===L\CW r W MJ и если W r < м' то и L\<p<L\C. (Этот случаи и изображен на
рис. 31, а и 33.)
тН
-,
[р
Се О!
96
В первом приближении отрезок AD, показанный на рис. 33, характеризует
степень непрямоrо восстановления Ri:::=.ADjAB, а отрезок DB отражает CTe
лень развития прямоrо восстановления на нижних rоризонтах печи Rd:::='
=:=:DB/AB.
В области нщжней ступени теплообмена, ниже rоризонта УО (рис. 33),
нахОДИТСЯ область прямоrо восстановления, rде СО 2 накапливается слабо и
СО поддерживается на псевдоравновесном уровне (вблизи 41 %) за счет
реакции СО 2 +С===2СО Q. Изменение (j) и С будет происходить выше ro-
ризонта УО (СМ. рис. 33) до тех пор, пока можно считать температуру по-
стоянной. Но это может длиться недолrо, и в зоне прямоrо восстановления
температура по мере опускания шихты начинает заметно подниматься. При
эТОМ, естественно, будет изменяться
константа равновесия и равновесная
концентрация восстановителя. Возни-
кает новая задача: определить, по
какиМ закьнам будет меняться ер,
...
если значение к будет увеличиваться
по мере опускания шихты.
ля простоты рассмотрим случай
(см. рис. 32), коrда равновесная кон.
центрация СО 2 линейно возрастает
с определенной скоростью..р. опу-
стим для nepBoro приближения про"
стую связь СО и, СО 2 , а имеННQ
С О 2===41 СО. При этом, понятно,
кривая СО 2 будет зеркальным изобра"
жением кривой со. Использовав ана"
лоrию с процессами поrашения TeM
nepaTypHoro потенциала, кривую из
менения фактической концентрации
СО 2 получим как линию 1. Через не-
которое время разrона Тр между paB
новесной и фактической концентра-
циями устанавливается достоянная
разница д, оторая и будет сохра-
няться течение Bcero последующеrо
за Тр времени.
Для завершенности процесса на 95% решение задачи находим по формуле,
приведенной ниже
'С р == 3/К Еу '
или для высоты (длины)
Ур == 3w r /K Ev .
Ii
.
;t::
А
в
ПlОUЗDнт lJo
.
....'"
,
[7
Рис. 33. Поля концентраций в зоне уме-
ренных температур и заплечиках доменной
печи (w; < W )
(148)
(149)
Разность концентраций rаза /). определяют по формуле
11 Ф/К Еv ,
(150)
ИЗ которой видно, что фактическая концентрация (см. рис. 32) будет тем
больше отставать от теоретическоrо максимума значения равновесной кон-
центрации, чем круче поднимается линия 2 (см. рис. 32), чем меньше KOH
станта скорости реакции, чем менее развита поверхность реакции и чем больше
порозность слоя. '
Примеры, рассмотренные выше, позволяют приблизительно представить
в целом и действительный ход процессов восстановления в доменной печи,
как это показано на рис. 34. В зоне умеренных температур ход химических
Процессов будет аналоrичен первому случаю (СМ. рис. 33), т. е. изотермиче
скому противотоку, а ход этих процессов в верхней и ни)Кней ступенях тепло
обмена будет аналоrичен условиям, представленным на рис. 32. На первом
7 Заказ H 97
91
этапе изучения этоrо вопроса некоторая. линеаризЗЦия равновесных кривых,
по видимому, ВПQлне допустима.
На рис. 34 кривая 1 показывает изменение температуры по высоте дo
менной печи, кривая 2 тот теоретический максимум, выше KOToporo фак
тическая концентрация двуокиси уrлерода на данном rоризонте подняться не
может, кривая 3 представляет фактическую концентрацию (:02 по высоте дo
менной печи при выплавке передельноrо чуrуна. На первом 'участке, непосред
ственно следующем за фурменными очаrами, нарастание концентрации ДBY
окиси уrлерода в rазе протекает CHa
чала очень медленно, увеличиваясь
только к области умеренных темпс
ратур, в которую rаз входит с KOH
центрацией на величину I ниже, чем
это возможно ПО условиям paBHO
весия.
В области умеренных температур,
концентрационный потенциал продол
жает поrашаться, и так как теорети
ческий потолок остается неизменным,
то разница уменьшается и в конце
области умеренных температур дости
raeT значения 2. ,
На рис. 34 видно, что ход по
rашения концентрационноrо потен
циала идет примерно таким, же обра
зом, как и ход поrашения темпера
TypHoro потенциала. Надо заметить,
что выравнивание концентрационноrо
потенциала проходит с некоторым
опозданием по сравнению с темпера
турным потенциалом, что подтверж
дается исследо аниями, например,
В. К. fрузинова, Ю. [. Ярошенко,
Б. И. Китаева, Б. Л. Лазарева,
К. Д. Коновалова [87].
В верхней части зоны умеренных
температур должна заметно сни
жаться интенсивность восстановитель
ных процессов, т. е. возникать своеоб
разная резервная зона по BOCCTaHOB
лению. Ее наличие свидетельствует
о больших резервах производитель
ности доменной печи, что в настоя
щее время бывает уже СРё:t.внительно
редко [99].
Таким образом, на кривой скорости накопления двуокиси уrлерода по
высоте доменной печи наблюдаются два максимума: один внизу, дру'rой
вверху доменной печи. Величина нижнеrо максимума несравненно выше, чем
BepxHero, что, бесспорно, указывает на исключительно И,нтенсивное накопление
двуокиси уrлерода не в верхних, а в нижних rОРИЗ0нтах доменной печи.
Сказанное было подтверждено не только опытами авторов, но и зарубежными
исследованиями: во Франции Ж. Мишаром, в Бельrии Фирке" в Фрr
Е. Шюрманом, В. Цишкале, П. Ишебеком, r. Хайнертом. Некоторые данные
этих работ представлены в [70].
За последние rоды в связи с существенным усовершенствованием ДOMeH
Horo процесса оба максимума постепенно сближаются, т. е.. между ними
исчезает rлубокая впадина.
* *
, На рис. 31 для W r > w м были показаны две возможные картины измене
" * >w *
ния конuентрационных потенциалов. Случаи, коrда W r м И К Е V уже за
%-
-
с:::
::::r-.
ct.
.12
:t:
4
IJpo8l'ltb qJl)pN
ССО 1 ' t ос
c:::s
%..
=t
c:::s
t::)
с::-
:t:
РИс. 34. Поля температур и концентраций
СО 2 в доменной печи:
1 температура шихты; 2 равновесная
концентрация СО 2 ; 3, 4 фактическая KOH
центрация СО 2 ; 1 нижняя ступень тепло
обмена; Il зона умеренных температур;
111 верхняя ступень теплообмена ,
98
метно уменьшается по мере опускания материалов (сМ. рис. 31, 8), даст
распределеl-iие концентраций, изображенное кривой 4 (СМ. рис. 34) и xapaK
теризуЮIЦее плохое испо ьзование восстановительной способности rазов.
Такая картина должна наблюдаться в доменной печи при выплавке
феррохрома, ферросилиция и ферромарrанца с повышенным расходом кокса.
До исследований М. А. Павлова [83] мноrие считали, что в нижней
зоне теплообмена при 950 1000°C скорость реакции окисления уrлерода ДBY
окисью настолько велика, что двуокись уrлерода, образовавшаяся от BOC
становления руды окисью уrлерода, должна полностью переходить в окись
уrлерода; состав rазовой смеси при температурах свыше 950 0 С реrулируется
в доменной печи исключительно условиями равновесия с уrлеродом, а не
с РеО (см. на рис. 33 правую вертикальную линию, проходящую через
точку В). .
М. А. Павлов первый подверr эту точку зрения некоторому сомнению.
Он установил в ряде, эксцериментальных данных существенное отклонение
состава rазовой фазы от условий равновесия двуокиси и окиси уrлерода
с уrлеродом. Сомнения М. А. Павлова были подтверждены более поздними
исследованиями, в которых подробно изучали физико химическую сторону
кинетики процессов [70]. .
L(вуркись уrлерода в rазах исчезает и образуется в результате реакций
СО 2 + С ----+ 2СО; РеО + СО ----+ Ре + СО 2 ,.
Первая из этих реакций уничтожает двуокись уrлерода, а вторая воспол
няет убыть двуокиси уrлерода, пополняя ею rазовую фазу. Следовательно,
в доменной печи состав rазовой фазы определяется не только условиями
равновесия этих реакций, но и их кинетическими характеристиками.
Надо иметь' в виду, что обе эти реакции протекают, вероятно, в диффу
зионной области; и трудно ожидать, чтобы их итоrовые скорости существенно
отличались одна от друrой. По всей вероятности, скорости проте ания этих
реакций одноrо порядка. Таким образом, становится вполне закономерным
наличие значительных количеств СО 2 в rазовой фазе, даже при самых B CO
ких температурах. Более подробное исследование этоrо вопроса привело к BЫ
воду, что большее, чем полаrается по равновесию с уrлеродом, содержание
двуокиси уrлерода наблюдается при температурах, превыш юIЦИХ 700
ВОООС, а меньшее ниже 700 8000C. Это явление заI<ономерно и может
быть об яснено элементарным анализом физико химической стороны про
цесса [82]: .
На рис. 35 показаны различные кривые изменения состава rазовой фазы
доменной печи в зависимости от температуры.
Кривые на рис. 35, а характеризуют старые взrля:ды область ожидае
Moro состава '1'аза (заштрихована) расположена вблизи кривой Будуара.
На рис. 35, 6 представлен первый набросок области составов rазов дo
менной печи по данным 1949 r. [82].
Кривые на рис. 35, 8 относятся К 1955 r., здесь показаны конкретные
данные старой и новой практики. Рис. 39, z представляет данные Н. Н. Ба
барыкина (ММК) , ОТНОСЯIЦиеся также к 1955 r. И, наконец, все данные
рис. 35, д были представлены на Люксембурrском международном KOHrpecce
в докладе Е. Шюрмана и д. Бюльтера [100].
В настоящее время уже никто не срмневается в том, что при высоких
температурах в rазах доменной печи М,ожет ':lкапливаться большое коли
чество СО 2 , значительно превосходящее «норму» Будуара.
Полученные выводы имеют и практическое значение. Они показывают,
Во первых, что с интенсификацией доменноrо процесса область- непрямоrо
Восстановления проникает все rлубже в нижние зоны печи; BO BTOpЫX, из
них можно сделать вывод, что в накоплении СО 2 принимает участие весьма
llнтенсивно работающий низ доменной печи. Исследования советских и за
рубежных ученых, проведенные на доменных печах, показывают, что в Ha
Коплении СО 2 низ шахты и распар доменной печи принимают более актив
Ное участие, чем середина шахты.
7*
99
Эти выводы объясняют также давно существовавший парадокс: почему
при форсированном ходе уменьшается удельный расход rорючеrо. Это про-
исходит, очевидно, именно потому, что в связи с форсированием хода дo
менной печи нижние зоны принимают боле активное участие в образовании
двуокиси уrлерода. "
, Большой вклад в дальнейшее развитие представлений и методики pac
чета восстановительных процессов был сделан БО ВНИИМТе в 1954 f.
с. И. Приваловым, В. Н. Тимофеевым, Б. А. Боковиковым [101], которыми
УО
200 400 БОО 800 1000 1200 сОО 400 600 800 1000
О 8
ё
с-.о
010
u
1;)::
20
JO
;::;r
,
t:::> 200 1;00 БОО 800 1000 1200 100 IrOO 500 800 1000
.
О Темперотtjра, ос
а
10
о
а
10
70
JO
200 400 500 800 !ООР
ТемпераmljРО, ос
о
Рис. 35. Равновесные и фактические
концентрации СО2 в ra30BoM по-
токе доменной печи:
линиями представлены равновесные
КОНЦЩlТрации, точками...... опытные
данные; а д ...... случаи работы пе
чей
представлены формулы для расчета незавершенных процессов восстановле
ния, необходимые для определения коэффициента скорости накопления дву-
окиси уrлерода. Кроме Toro, ими также проведены обширные эксперименты I
на лабораторной противоточной установке по исследованию процессов вос-
становления различноrо рудноrо сырья и экспериментально определены коэф-
фициенты накопления СО 2 в зависимости от мноrих факторов: размера
кусков, температуры, скорости' rазов, степени восстановлеf!ИЯ и состава'
восстановительных rазов. .
Исследователи приходят к выводам, что скорость восстановления ока-
тышей больше, чем аrломерата, в 2,5 раза в начале восстановления куска
и в 4 раза в конце; практически скорость восстановления для аrломерата
не зависит от размеров ero куска. Это, конечно, не значит, что куски лю
100
60ro размера восстанавливаются за одно время т. Период восстановления
пропорционален размеру куска; влияние скорости rаза на осстановление
заметно лишь в диапазоне скорости O,2 O,75 м/с. Дальнейшее увеличение
скорости не приводит к очень заметному ускорению восстановления.
Часть этих данных пересчитана авторами на более распространенный
в зарубежной литературе показатель восстановимости скорость продвиже
ния фронта металлизации (см/ч) и '
представлена на рис. 36. Там же по
казаны результаты исследований
r. и. Чуфарова и Е. П. Татиевской
{102J. Анализ данных' показывает,
что скорость продвижения фронта
металлизации сильно меняется от
начала процесса восстановления,
коrда она достиrает максимальноrо
значения (наибольшая поверхность
фронта реакции, отсутствие BHYTpeH
Hero сопротивления), до окончания
процесса. Те же данные хорошо пока-
зывают, какой оrромный сдвиr про-
изошел в улучшении восстановимости
ar ломерата и окатышей.
В послеД6ее время появился ЦИКJI
работ, С. В. Шаврина и А. В. Чен
цева [71], в которых намечены новые
пути в математическом описании про
цессов восстановления и теплообмена.
Обработка большоrо количества экс-
периментальных данных по BOCCTa
новлению почти всех отечественных
аrломератов позволила С. В. Шаврину установить закономерность между
степенью восстановления ro и временем восстановления т:
. doo/d't == Kv (l. (0). (151)
В этом уравнении }(v представляет осредненную скорость восстановления
в начальный момент времени, которая зависит от температуры, давления и
состава 'восстановителя, а также от свойств руды или' аrломерата. Установ-
ление связи между Kv и указанными параметрами может быть выполнено
в лабораторных условиях. Такой подход значительно расширил возможности
расчетноrо метода, с помощью KOToporo была сделана оценка поведения сы-
рых материало в доменной печи, а также эффективность мероприятий, свя-
занных с изменениями качества ырья и ехнолоrических параметров плавки.
20
.......
.;
Q.:.::::1
'::1
:::i
]. 10
t:::
'-Jt;:s
C:::)
О
J
20 40 60 80
Степень 80сстано8лени f/ IfljCKO $1, %
Рис. 36. Зависимость скорости продвиже-
ния фронта металлизации от степени вос-
становления кусков ер для различных ма"
териалов:
1 обожженные ока.тыши d 20 мм. BOCCTa
новитель со: Н 2 ;=:.1"О, t==950°C; 2 аrло.
мерат. восстановитель СО. t==850°C; 3
кристалл маrнетИта, восстановитель СО,
t 8QO°C [102], скоро ти rаза O,75 l,2 м/с
3. rИДР()ДИНАМИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
в 3АПЛЕЧИКАХ И rOPHE ДОМЕННОА ПЕЧИ.
в наше время длинный перечень явлений доменной плавки завершается.
Совсем недавно 'к этому списку добавлены rидродинамические явления [71,
82], представляющиесобой превращения и движение расплавов в области
ropHa и заплечиков, о чем в литературе долrое время было больше rипотез,
ч м неопровержцмых фактов, полученных ,экспериментально.
Между тем, вероятно, именно эти ЯВЛЩiИЯ определяют уровень интенси-
фикации процесса и тесно связаны не только с теплообменом, но и с та-
кими практическими вопросами, как дренаж ropHa и эаплечиков, rорение
фурм и др.
Прямое отношение rидродинамические явления имеют к реrулирова
нию тепловоrо состояния в доменной печи, а также к развитию теплооб
мена в нижней ступени. В доменной печи роль rидродинамики несравненно
больше чем в скрубберах, вследствие значительно большей неравномерности
101
распределения rазовых потоков по сечению rapHa и заплечиков и особых
свойств расплавов.
Очень важно знать тот процесс, который ведет к нарушению pOBHoro
хода и тяжелому' последствию зависанию. По всей вероятности, этот
сложный процесс имеет rидродинамическую природу и связан с развитием
так называемых явлений захлебывания или зависания расплава. Теплообмен
в этом случае не может развиваться KaK TO изолированно и, конечно, будет
определяться степенью развития лимитирующеrо процесса.
При равном ходе печи шлак и чуrун наrреваются в заплечиках и ropHe
на коксовой насадке подобно жидкости в скруббере. Однако развитие ли
митирующеrо процесса, несомненно, в первую очередь будет определяться'
тепловым состоянием верха и низа доменной печи или, как мы теперь ro
ворим, характером температурноrо поля. Вот почему теплообмен в нижней
ступени невозможно рассматривать в отрыве от лимитирующеrо теплотех
ническоrо ПрЬцесса, которым является захлебывание (по rипотезе Б. и. Ки
таева [82], это критический финал развития rидродинамических явлений).
опыIT показывает, что нижние подвисания в доменной печи вызы
ваются торможением в движении жидкой фазы :в' заплечиках и ropHe.
Следовательно, правильная орrанизация дренажа этой области может обес
печить необходимую rазопроницаемость слоя, ровный ход печи, хорошую
стойкость фурм и дальнейшую интенсификацию доменноrо процесса.
В нижней части доменной печи температурный потенциал, определяющий
скорость плавления, нарастает БЫСТQее потенциала, определяющеrо линейную
скорость Ме1'аллизаций на поверхности куска руды, поэтому возможно рас:-
плавление куска раньше, чем он успеет восстановиться до металла, т. е.
возможно получение в восстановительной среде сильно железистых расплавов
с высоким содержанием FeO. В этом и таится скрытая опасность Tyroro хода
и нижних подвисан й.
Восстановление может ускориться, если расплав будет находиться в виде
тонких струй или пленок, что значительно увеличивает общую поверхность
восстановления по сравнению с поверхностью твердых кусков руды, однако
это только усуrубит опасные явления.
Наличие жидкости на кусках кокса, особенно если она вязкая и пени
стая, будет уменьшать порозность слоя И может привести к ero захлебыва.
нию [89]. Это явление наблюдают в скрубберах и, видимо, оно может быть
в доменной печи перед подвисанием шихты и во время Hero.
Соображения относительно нижнеrо подвисания доменной печи, осно:ван.
ные на часто наблюдаемом в скрубберах захлебывании, впервые БЫЛIf вы.
сказаны в 1949 r. Б. и. Китаевым [82]. Позднее эта точка' зрения была под
тверждена опытами со шлаками и металлами в исследованиях, проведенных
на действующих доменных печах С. В. Шавриным" и. Н. Захаровым [711
Н. Н. Стендишем [104] и Симмомура Яцухато [105]. ".
Оrромный экспериментальный материал в этом плане был представлен
'на симпозиуме по аэродинамике в доменных печах в Австралии (Воллонrонr)
в сентябре 1975 r., в котором участвовали ученые Европы, СССР, США
и Японии. Особый интерес вызвали работы Н. Стэндиша, ж. Вильямса,
М. Хата но и др. [31, с. 9 13; 155 158], в которых было высказано полное
соrласие с принятой нами в 1949 r. точкой зрения.
Ра:звитие нижнеrо подвисания, связанноrо с чрезмерным увеличением
количества подаваемоrо в печь дутья, представляется следующим образом [82].
По мере увеличения скорости восходящий поток rазов все более и более
задерживает стекание расплава, в связи с чем количество расплава, находя.
щеrося в слое в виде пленок на кусках кокса, тоже растет. При 'ВЫСОКИХ
скоростях движения rазов или вязкости расплава происходит захлебывание,
расплав выбрасывается потоком rазов (возможно не по всему сечению,
а только в отдельных местах) в вышележащие rоризонты с более низкой
температурой, заrустевает и. закупоривает проходы для rазов. После этоrо,
естественно, давление под такими закупоренными во мноrих местах «сводами»
повышается, а сами они зависают, видимо, как арка, опирающаяся на за
,ПJIечики, или как парашют, поддерживаемый снизу дутьем.
102
Под такой apKo{l возможны выrорание кокса и друrие процессы; дви
жение шихты (сход КОJlОШ) приостанавливается. Немедленно предпринятое
уменьшение дутья способствует стеканию расплава, закупорившеrо проходы.
после этоrо арка разрушается и печь «садится», если под аркой образова
лась значительная пустота.
Конечно, у захлебываний в доменной печи по сравнению с захлебыва
ниями в скрубберах есть свои особенности. Во первых, они состоят в том,
ЧТО в доменной печи даже локальное захлебывание на одной фурме может
привести к замораживанию выброшенноrо вверх расплава, так как вверху
холоднее. BO BTOpЫX, период от начала локальноrо зависания до полноrо, т. е.
до подвисания в доменной печи, продолжается дольше из-за большей не.
равномерности в распределении rазовых потоков по сечению. Эта блаrОПРИЯ1
ная I особенность позволяет обслуживающему персоналу принять меры по
ликвидации возникшей опасности.
Надо только своевременно обнару-
жить эту опасность. Еще лучше пред
отвратить первое локальное захлебы-
вание первопричину подвисания.
Большая неравномерность nOTO
ков ropHoBoro rаза, обусловленная
наличием фурменных очаrов, приво-
дит к двум ПРО.тивоположным резуль-
татам. Блаrоприятный результат со-
стоит в том, ЧТQ, как установи.ТI
А. С. Кукаркин [51], большая HepaB
номерность rазовоrо потока отдаляет
явление захлебывания и тем повы-
шает интенсивность процесса.
Неблаrоприятный результат за
ключается в том, что в районе фур-
MeHHoro очаrа rазовый поток и поток
расплава расходятся. Расплав ста.
рается пройти в межфурменные про-
странства и в центр мимо rазовоrо
потока [51]. Это ведет к ослаблению
Ko raKTa и прежде Bcero к ослабле-
нию теплообмена между потоками
rаЗ,а IJ..расплава. Суммарный коэффи-
циент теплопередачи снижается, но
ра плав весьма интенсивно Harpe
вается на коксовой насадке.
Работы по изучению rидродинамических явлений за последние rоды:
С успехо ведутся мноrими исследователями. :
В результате изучения явления захлебывания в скрубберах Т. К. Шервуд
и акад. Н. М. Жаворонков определили условия ero возникновения. Соrласно
составленному ими rрафику (рис. 37), наиболее сильно на ВОЗникновение
явления. захлебывания влияют увеличение плотности орошения, скорости
движения rазов и вязкости жидкости. Эти и друrие параметры, определяю-
щие данное явление, связаны уравнением
V Р. f ( СWбf IL ТjO,2 ) t
q.. Рж у: 2g Рж
10
:-.
..
о 1
+ 2
А3
.4
J:::..,.
........
c::t.
0.1
9)1::;1
...........
c:t
.
... aOOI
.
. 1, .
0.0001
1.0
100
аО1
,
L \rБ
GrV Р;
Рис. 37. Пределы наrру,з и по rазу и жид-
кости в насадках:
а кривая Шервуда; б кривая Жаво-
ронкова; 1 орошение леrкоплавким спла-:
вом [89]; 2 то же, растворами rлицерина
(начало подвисания) [89]; 3 то же, при
полном захлебыван и [89]; 4 условия за
топления коксовой насадки безжелезисты
ми шлаками [71]' ,;
,1'
(152)
rде L плотность орошения, Kr/ (м 2 . ч);
ОТ расход rаза, Kr/ (м 2 . ч) ;
РТ, Рж соответственно плотности rаза и жидкости при данной температуре,
I Kr/M 3 ;
1'} относительная вязкость жидкости, ClЕ; ,
V а степень заполнения насадки или ее порозность (для лоя около 0,5);
103,
g ускорение силы тяжести, м/с 2 , g==9,8 м/с 2 ;
fи удельная поверхность насадки, м 2 jм З ;
коэффициент сопротивления сухой насад и, который может быть
определен по формуле
С == з,8Rе ОJ2 == 3,8 ( wod ) OI2 (153)
. ,'V'
rде Wo скорость rазов на свободное сечение при данной температуре, lVI{C;
d диаметр куска, м;
" кинематическая вязкость rазов, M 2 jC.
Б. И. Китаев с сотрудниками [89] изучали условия зависания со сплавом
Нуда и растворами rлицерина на насадке из rрафитовых шариков (см.
рис. 37). Вследствие HepaBHoMepHoro распределения орошающей жидкости
по сечению сосуда и малой плотности орошения в соответствии с условиями
в доменной печи расположение линий пределов наrрузки по rазу и ж дкости
в rидромодели оказалось выше и ле
вее кривой пределов для скрубберов.
При увеличении плотности opo
шения величина пределов наrрузки
снижается, и кривая пределов начала
зависания жидкости почти сливается
с ,кривой пределов наrрузки для
скрубберов.
С. В. Шаврин с сотрудниками
[71] исследовали условия зависания
безжелезистых доменных шлаков на
насадке из уrольных шаров в проти
вотоке rаза при высокихтемперату
. рах (порядка 1450 0 С). Они пришли
к выводу, что найденные 'ими усло
вия зависания удовлетворительно co
rласуются с условиями зависания
низкотемпературных жидкостеЙ.
Особенно важно, что вязкость
расплава, значение которой ясно
, ВИДНО из уравнения (152) Н. М. Жа
воронкова, в большой сТепени зависит от ero вспенивания. Вспенивание pac
плава, резко повышающее ero вязкость (часто в 1 О раз и более) I может
стать первопричиной нижнеrо зависания. Практика рудно термической плавки
показала, что вспенивание расплава может произойти из за резкоrо увеличе
ния в расплаве содержания окислов железа и снижения ero температуры.
Между тем до сих пор шлаки доменноrо процесса чаще изучали в OT
рыве от хода восстановления в жидкой фазе. На вопрос, к&кие именно KOM
поненты усуrубляют вспенивание, а какие предотвращают ero, ответ получен
только в самое последнее время.
, Долrо считали, что область под кривой Шервуда Жаворонкова (см.'
рис. 37) представляет собой совершенно блаrоприятные условия для нормаль-
ной работы доменной печи (без зависаний).
Однако уже из исследований Ньютона и Мэзона, описанных в работе
[89], ясно, что эта свободная область не предохраняет процесс от зависания.
Они показали, что с изменением поверхностноrо натяжения жидкости от 72 6 1 O 5
ДО 32. ]0 5 Н/см (72 до 32 дин/см) площадь свободной области под кривоЙ
Шервуда Жаворонкова сокращается в три раза (рис. 38), т. е., иначе
rоворя, кривая захлебывания с уменьшением поверхностноrо натяжения
жидкости резко снижается. Было также показано, что положение' кривой
захлебывания зависит и от состава шлака, и Прежде Bcero от содержания
в нем РеО.
Доrадка о том, что вспенивание жидкости может стать причиной paH
Hero зависания ее в слое, что на вспенивание доменных шлаков должны
0,1
о,Об
...'
о;:> О
, О. 1#
.... 0.02
001
I
0,006
4004
1;:0,002
0.001'
Q01 0.0'1 0.0"
....... ..... ...... ....i"o .....
"- i"oo,...... N2
" " . с"'"
... ,,
........ "
...... " " 2\ '\ '\
" "' " '-.
" " "'
'\ 32 '" \. ;" "
i" "- , 5" \
'\ ' 1\
0,1 од 0."
L ,/L
G, V Р:
1
1
Рис. 38. Влияние nOBepxHocTHoro натяже
ния на изменение кривой захлебывания
[89]; цифры на кривых означают поверх
ностное натяжение жидкости, 10 5 Н/см
(1 дин/см)
104
сильно влиять окислы железа и температура, была высказана еще в 1957 r.
[88]. ПозднееС. В. Шаврин с сотрудниками [71] представили количественные
зависимости в оценке этоrо явления. В частности, ими было показано, что
уже при наличии 2% РеО получается значительное вспенивание шлака и
при дальнеЙшем повышении содержания FeO в шлаке до 10% (при доста.
точной температуре) ero прохождение через слой кокса становится вообще
невозможным из-за rазов, бурно выделяющихся по реакции PeO+C CO+Pe.
Эти работы показывают, какое orpoMHoe значение для дальнейшей интен.
сификации доменноrо процесса имеет восстановимость рудной части шихты,
и окончательно рассеивают сомнения о возможности зависания расплава
в районе заплечиков и ropHa. Теперь ясно, что зависание недовосстановлен.
Horo расплава вполне реальная опасность. В опытах был использован син.
тетический шлак, содержащий 32,06% СаО, 46,91 % Si0 2 , 5,72% MgO и
15,44% АI 2 О з . Ero вязкость при 1300 и 1550°С составляла 3,5 и 0,6 Н. с/м2
1,'
D.9
c:o..
;:,.S?D.7
. ,
..1::) ..
"'" а5
.
0,3
О
..
(:)
6 'о,)
L\..
о 1 2 3
о 4
QJ
2
а
о
о
2
L; б
Fe О, О/О
в
10
o.z О. 't JJ,6 0.8 1,0
Вязкость оезжеле:luстО20 шлака
11, Н.с/н 2
Рис. 39. Скорость прохождения железистым доменным шлаком коксовой насадки и
rрафик торможения в зависимости от содержания в шлаке РеО [71]:
а расход rаза при 1 550°С; J 0,32 м 3 /(м 2 . с); 2 0,5 мЗf(м 2 . с); б rpафик TOpMO
жения при температуре: 1 1500 0 С; 2 1450 0 С; 3 1350 0 С; А область торможения
(35 и 6 П) соответственно. Шлак в противотоке азота протека через
насадку из уrольных шаров диаметром 6 мм при 1350, 1450' и 1550°С. Как
упоминалось, при экспериментах с этим шлаком в противотоке на коксовой
насадке были получены результаты, удовлетворительно соrласующиеся с кри.
вой зависания Шервуда Жаворонкова (см. рис. 37). Однако поведение шлака
резко изменилось, коrда к нему добавили окислы железа (0,5; 2; 4; 6 и
10% РеО).
В результате (рис. 39, а) скорость прохождения шлаком насадки сильно
изменялась в зависимости от концентрации РеО в исходном шлаке. Добавле-
ние 1 % РеО увеличило скорость, обеспечивая максимум на кривых. Однако
дальнейшее увеличение FeO в исходном шлаке привело к резкому уменьшению
проходимости насадки, и уже при добавлении 10% РеО шлак практически
через насадку не проходил.
Конечно, картина, изображенная на рис. 39, а, справедлива только для
шлака вязкостью 0,6 Н . с/м 2 (6 П) при 1550°С и при содержании FeO, равном
нулю. При меньшей вязкости безжелезистоrо шлака кривые будут распола
rаться выше и их максимум сместится вправо.
Общую картину с учетом вязкости безжелезистоrо шлака С. В. Шаврин
[71] представил на rрафике «торможения» (рис. 39, б). На оси абсцисс отло.
жена вязкость исходноrо (безжелезистоr,о) шлака и кривые 1, 2, 3 соответст.
вуют температурам 1500; 1450 и 1350°С; все данные относятся к коксовой
насадке из кусков размером 40 ММ. При использовании этоrо rрафика
105
'необходимы данные о вязкости безжелезистоrо шлака. В качестве
с. В. Шаврии представил эти данные для условий работы НТМК
cKoro металлур ическоrо завода:
r :,1
примера ;; 1
и Чусов<
.' :':
[ ш , ос . . . . . . 1350 1400 1450 1500
11ш, Н.с/м2 (П): ,
,;\
НТМК . . 1,3 (13,0) О, 7 (7, О) 0,4 (4,0) 0,3 (3,0) ."
. .
Чусовской MeT 0,5 (5,0) 0,33 (3,3) 0,3 (3.0)
завод . . . о, 75 (7,5)
. Справа от кривых (см. рис. 37, б) расположена область торможения;
шлаки, попавшие в' эту область, плохо проходят через насадку, даже в OT
сутствие потока rазов, так как сильно пенятся из за активно IIротекающеrо
процесса восстановления в жидкой фазе на коксе. Например, при 1450°С шлак,
18
'
'
'@. 1.6
:::s
14
:t:;'
::::,
'
1,2
O
200 400 БОО 8й[7
8bIloo шлака, /(2 jT ЧljсУНrz
Рис. 40. Влияние выхода шлака на
относительную интенсивность плав-
ки по данным:
О завода «Венею) [106]; 6 за
Бода «Нталсидер» [89]
характеризуемый вязкостью 0,4 Н. с/м 2 (4 П) при 0% 'FeO, практически не
тормозится при любом содержаНИl! закиси железа. Но стоит только повысить
ero температуру дО 1500°С, как предеЛЬНl?IМ содержа.нием FeO для Her'O
станет 1 %. По этому rрафику видно, что холодный ход печи способствует
интенсификации плавки.
Мноrочисленные практические данные подтверждают rипотезу о том, что
процессом, лимитирующим производительность доменной печи, является за
висание пенящеrося (недовосстановленноrо) Illлака на коксовон насадке.
На практике установлено, что Болыllеe количество шлака ПрИJ;юдит к по
нижеlIию производительности печи, и наоборот. Причем это влияние значи
тельно сильнее, чем влияние простоrо увеличения теплопотребления шихты.
В докладах на 111 ,М,еждународном, KOHrpecce по металлурrии в Люксем-
бурrе, прочитанных представителями итальянской фирмы «Италсидер» Бар:-
бьерри, Амбросетти и rровеллой и приведенных в работе [89], указано, что
на печи объемом 637 м 3 при уменыllниии выхода шлака с 450 до 250 Krtr
чуrуна производительность возросла с 1,4 до 2 T/M 3 печи в сутки. В этом
случае теплопотребление шихты уменьшилось на 14 %, а производительность
возросла на 43 % .
Друrим источником аналоrичныx данных являются сведения завода Бенси,
описанные в работе [106]. На этом заводе получен коэффициент использования
полезноrо объема (к. и. п. о.), равный 0,201. Даже при такой рекордноЙ,
интенсивности хода доменных печей выход шлака очень сильно влияет на
производительность. Это видно из рис. 40, составленноrо по данным раБОТi I
106
доменных печей [89, 106], соответственно которым при уменьшении коли..
чества шцака , 700 до 500 Kr/T чуrуна производительность увеличивается на
40%. При этом теплопотребление шихты уменьшается только на 12%.
Как правило, тяжелые последствия нижнеrо зависания не удается лик-
видировать немедленно после снятия части дутья. Это объясняется, по-
ВИДИМОМУ, тем, что после захлебывания часть выброшенноrо кверху расплава
застывает, "фиксируется на определенном rоризонте, и пока этот rоризонт не
опустится до уровня высоких температур, rде произойдет расплавление
шлака, последствия нижнеrо зависания не будут полностью ликвидированы.
H интенсивность хода доменной печи большое влияние оказывает вос-
становимость шихты, что подтверждено также практикой завода Бенси.
Этоrо не моrло бы быть, если бы 'нижнее подвисание не было связано
с зависанием шлака. Наоборот,' при недостаточной восстановимости шлаки,
разжиженные FeO, способствовали бы более ровному ходу..
Таким образом, тепловое состояние доменной печи следует поддержи-
вать на уровне, максимально блаrоприятном для развития восстановительных
процессов в твердой фазе. Чем интенсивнее орrанизован теплообмен, чем
раньше шихта наrреется дО 900 0 С, тем лучше пойдут восстановительные про-
цессы, леrче можно будет избежать развития лимитирующеrо явления за
висания расплава на коксовой насадк'е- в районе эаплечиков, лучше будет про-
ходить дренаж r pHa.
Анапиз
Раз еп второй
.
AOMeHHoro процесса
r n а в а IV
Т МПЕРА.ТУРНЫЕ И КОНЦЕНТРА.ЦИОННЫЕ ПОЛЯ
В ДОМЕННЫХ ПЕЧА.Х
1. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ попЕЙ
в ДЕЙСТВУЮЩ Х ДОМЕННЫХ ПЕЧАХ
Современный уровень математическоrо описания явлений в дo
менной печи, в том числе явлений теплообмена, не позволяет
вскрыть все тонкости доменноrо процесса. В какой то мере Ma
тематическое описание оказывается упрощенным изображением
процессов, совершающихся в доменной ,печи. Конкретно rоворя,
ПОД этим упрощением мы понимаем то, что существующее MaTe
матическое описание (дифференциальные уравнения и их ин
теrралы) оперирует с одномерными потоками тепла и MaccbI.
На самом деле потоки сложнее, они являются не только ДBY
мерными, но и трехмерными, Kpo!vle Toro, наблюдается большая
неравномерность, которая в математическом описании с ис
пользованием трехмерных потоков должна была бы найти OTpa
жение. К сожалению, мировая литература не знает таких при
меров, коrда описывалось бы трехмерное поле, которое улавли
вало бы все нюансы cOBpeMeHHoro доменноrо процесса.
Большие надежды на то, что удастся матем1iтически опи
u
сать доменныи процесс целиком, в свое время возникли в связи
..
с появлением математических моделеи доменноrо процесса, но
надежды e оправдались.
В свете такой обстановки, естественно, ощущается колос
сальная ответственность за эксперимент на действующих ДOMeH
ных печах, а также и вообще за эксперимент. В свете HeДOCTa
..
точности математических моделеи результаты натуральноrо экс
перимента приобретают исключительно большое -значение. Как
часть этоrо целоrо, orpoMHoe значение приобретают эксперимен
..
тальные данные по температурным полям в доменнои печи.
Сейчас мы располаrаем очень мощными средствами, oco
бенно в СССР, по исследованию температурных полей, состава
, .. ..
шихты, состава rаза, на различных, по краинеи мере четырех,
rоризонтах шахты от ее стен до центра печи. Поэтому есть пол
ная возможность получить боrатый экспериментальный MaTe
риал: можно получить надежные двухмерные поля и даже Tpex
мерные. Наша задача заключается в том, чтобы по ВО3l\10ЖНОСТИ
108
полнее представить этот экспериментальный материал, отобра
)кая только то, что наиболее типично для cOBpeMeHHoro ДOMeH
иоrо процесса.
Одну особенность этоrо MaTe
риала следует qтметить в самом
начале. Она заключается в том,
что нет KaKoro To барьера между
математическими описаниями и
фактическим экспериментальным
материалом. Не существует и Ta
Koro положения, при котором Ka
кое либо яв.nение, обнаруженное
в экспериментальных данных, не
имело бы абсолютно никаких OT
звуков В математических описа
ниях, в математических Moдe
лях. Наоборот,. наблюдается
удивительная соrласованность
данных, если при этом иметь
u
в виду невысокии уровень Ma
u
тематических моделеи, сущест
вующих ныне.
Далее следует отметить, что
истинные, фактические темпера
u
турные в деиствующих печах по
u
ля имеют сложным характер, и
..
причином тому является HepaB
номерность в распределении по
токов rаза и шихты. Несмотря
на то что неравномерность все
усложняет, затушевывает про
u
стоту элементарнои картины, KO
торая наблюдается при OДHOMep
нам потоке, все равно отчетли
во можно рассмотреть законо
мерности .одномерноrо теплооб
мена. Они проявляются везде.
Например, при зондировании по
какой нибудь вертикали прояв
Ляются типичные закономерно
сти одномерноrо теплообмена,
которые можно считать, таким
образом, фундаментальными.
Следует указать и на одну
историческоrо порядка особен
Ность температурных полей (хотя это в одинаковой мере OTHO
СИтся и К полям со 2 , концентраций друrих компонентов и т. д.).
Со времен с. Кинни, на протяжении 40 лет, наблюдается
("
'\
t ос
I
с 02 , О/О
t-..
t-..
C;:) ..,.,
С'\/'").....
'
,.
"'1
..;t.
t:::;:)
уроВень QJYPM
Рис. 41. Изменение температуры rазоВ
'и содержания двуокиси уrлерода
в объеме шахты, типичное для ДOMeH
ной печи с совершенно ненормальным
центральным ходом
109
некоторое сrлаживание острых моментов, которые облеrчали
выявление типичных закономерностей одномерНо:tо теплообмена.
В частности, в исследованиях Кинни очень резко была выражена
..
холостая высота, названная впоследствии зоном умеренных TeM
ператур, а также ступени теплообмена верхняя, нижняя. Это
отчетливо видно из рис. 41, rде приведена картина изотерм по
исследованиям Кинни, описанным в работе [83]. Как известно,
в 1929 r. Кинни исследовал печь NQ 4 компании «Иллинойс КО»
объемом 710 м 3 и полезной высотой 20,43 м. Печь выплаВЛЯ.па
700 т в сутки передельноrо чуrуна с расходом 0,86 т/т кокса.
800
1500
t, ос
800 1200
t ос
.
24
::t:
:t"'
18
с::::.
<tJ 8
::r.::
o
. :
Рис. 42. Распределение температуры по Н D
(1952 1'.):
1 печь НТМI(; 2 печь комбината им. Ce
рова
Рис. 43. Поля изотерм доменной печи NQ 4
НТМI( (1961 r.): ..
,
1 номера вертикалей печи, для KOTO
рых построены температурные поля
Обращает на себя чудовищная по нашим теперешним представ
лениям неравномерность и особенно хорошо видимый на ри
сунке центральный ход. Четкое выражение OHЫ умеренных
температур наблюдалось ярко и в наших исследованиях на
НТМК и заводе им. Серова. Результаты вертикальноrо зонди
ро:вания' по данным ю. [. Ярошенко и Б. Л. Лазарева пред
ст влены на рис. 42 [87]. Сопоставление кривых 1 и 2 этоrо ри
сунка демонстрирует неизменность S образности температурных
кривых по данным Б. и. Китаева.
Картина изотерм, полученная Б. Л. Лазаревым на доменной
печи NQ 4 НТМК в 1961 r., коrда печь работала на ОфJ1юсован
ном аrломерате с к. и. П. о., равным 0,7, при расходе 0,66 т/т кокса
приведена на рис. 43 [89]. Как видно, по сравнению с данными
Кинни, т. е. за 33 rода, неравномерность существенно снизиласъ.
Если в исследованиях Кинни высота зоны умеренных темпера
тур, которая обнаруживается по наличию на ней небольших rpa-
110
диентов (50 0 С растяrивались на lO 12 м) была значительной,
то 1'еперь материалы исследований современных доменных
печей такой картин;ы не дают. Основная причина TaKoro поло
жения, по видимому, заключается в том, что за эти 40 лет при
мерно в два раза увеличилась удельная производительность дo
. U, U
менных печеи и также примерно вдвое снизился удельныи pac
ход кокса. Если вдуматься в формулы, которыми описывается
теплообмен, то будет ясно, что этоrо вполне достаточно, чтобы
произошло явление, которое мы назвали сrлаживанием острых
моме,ЙТОВ. Последнее, как уже отмечалось, связано и с YMeHЬ
шением неравномерности в распределении потоков rаза и шихты.
Тем не менее общие закономеРRОСТИ, вытекающие из pac
смотрения одномерноrо теплообмена, полностью сохраняют
СВОЮ силу. Сохраняется представление о завершенности теплооб
u u
мена, верхнеи м нижнем ступенях, зоне умеренных температур.
В, течение ряда лет ЦНИИЧМ МЧМ СССР совместно с Кри
ворожским И Новолипецким металлурrическими заводами были
проведены уникальные исследования доменноrо процесса
с целью выяснения особенностей восстановления в больших дo
менных печах при высоком обоrащении дутья кислородом [99,
1071. Для этих исследований использовали капитально YCTa
, , U, .'
новленные во время строительства устроиства, -позволяющие от-
бирать пробы материала и rаза, а также измерять темпера
туры на различных rоризонтах по высоте печи. Во время иссле
дований вели 'lIаблюдения за' температурами и содержанием
отдельных компонентов в rазовой фазе, в; том "'числе . СО 2 , Н 2 ,
Н 2 О. Результаты этих исследований имеют большое значение
для анализа процесса 'и профиля современных мощных ДOMeH
ных печей. 1, "-
На одной из доменных печей Криворожскоrо металлурrиче
CKoro, завода объемом 2000 м 3 изучали состав и распределение
твердых и жидких материалов, измеряли темпе,ратуру, состав
и влажность rаза по радиусу печи на различных rоризонтах [99].
В этих исследованиях зонды были установлены на четырех ro
ризонтах: 1 rоризонт находился на 3,5 м ниж уровня засыпки,
11 на 8,3 м ниже первоrо, 111 на 6' м ниже BToporo и IV
На 3,2 ниже 111 и на 4,8 м выше rоризонта фурм.
, В результате исследований была выявлена существенная He
равномерность распределения основных составляющих шихты по
радиусу печи: максимальные рудные наrрузки наблюдались на
расстоянии 1,O 1,5 м от кладки; к периферии и центру рудная.
наrрузка снижалась, причем в центре она была меньше, чем на
периферии. Максимальное количество кокса, наоборот, обнару
Жили в центре и на периферии. Такой характер распределения
lliИХТОВЬJХ материалов сохранился на всех rоризонтах печи.
Изменение температур на каждом из четырех rоризонтов
полностью подтвердило отмеченную, неравномерность в pac
пределении шихтовых материалов. Область минимальных
111
..
температур находилась как раз в тои ,части поперечноrо
сечения, [де наблюдались ,максимальные рудные наrрузки и
было сосредоточено наибольшее количество мелких рудных
фракций.'
з. и. Некрасов отмечал, что полученные по измерениям TeM
ператур данные свидетельствуют об интенсивном теплообмене во
всем объеме шахты доменной печи. Анализ распределения co
ставляющих rазовой фазы fio радиусу печи прцвел авторов к BЫ
БОДУ О том, что процессы восстановления и теплообмена в шахте
доменной печи объемом 2000 м 3 протекают достаточно интен
сивно, но все же имеются и значительные резервы снижения
расхода кокса и повышения производительности, так как BOCCTa
иовительная энерrия rазовоrо потока при условии сохранения
хорошей rазопроницаемости столба шихтовых материалов по
всему сечению печи моrла бы QbITb использована более
полно [99].
,Недостаточное использовани восстанqвительной энерrии ra-
зов 'на периферии авторы [99] объясняют перераспределением
шихтовых ,материалов при опускании в постоянно расширяю
щуюся часть печи. При этом в периферийную зону, по-видимому,
попадают преимущественно кусковые материалы, т. е. кокс.
В этой работе отмечается, что в периферийной зоне наблюдается
несоответствие между количеством протекающеrо здесь восста-
u
новительноrо rаза и количеством железосодержащеи части
. ...
шихты, что приводит К недоиспользованию восстановительнои
энерrии rаза [991. Для выявления особенностей работы домен-
ной печи объемом 2700 м 3 , а таКЖ,е для определеlIия возможно
стей строительства более мощных печей ЦНИИЧМ совместно
с Криворожским металлурrическим заводом были исследованы
...
процессы плавки на это и печи и сопоставлены с результатами
u u
аналоrичных исследовании, проведенных на доменнои печи
объемом 2000 м З [107].
Анализ результатов исследований по распределению мате-
риалов на колошнике доменной печи объемом 2700 м 3 и сопо
. u
ставление их с аналоrичными результатами исследовании на
доменной печи 2000 м 3 приводят авторов к выводу о том, что
при одном и том же rранулометрическом составе аrломерата
рудная сыпь на колошнике печи 2700 м 3 распределялась бы бо
лее равномерно [107].
, 3. и. Некрасов считает, что для улучшения теплообмена
в промежуточной зоне (имеется ввиду рудный rребень) необхо
димо увеличить количество дутья, улучшить кусковатость ar-
ломерата и орrанизовать заrрузку шихтовых материалов" с Ta
ким расчетом, чтобы рудная часть равномернее распреде.1!ялась
по всему сечению печи, в том числе и в центре, без нарушения
rазопроницаемости столба материалов в осевой зоне. Сопоста-
вив результаты исследований по составу rазовой фазы и изме-
нению температур по радиусу печи на доменных печах 2000 и
112
2700 м З , авторы [107] делают ВЫВОД о вполне удовлетворитель
ной работе шахты и распара доменной печи 2700 м З , в том числе
и осевой ЗОНЫ этих элементов профиля.
, Все экспериментальные данные, полученные з. И. Некрасо-
вым и ero сотрудниками, обработаны в традиционном стиле,
установившемся среди технолоrов. Исследуемые величины: TeM
пература, содержание СО 2 , Н 2 и Н 2 О В rазовой фазе представ
лены в виде rрафиков распределения этих величин по радиусу
печи на различных исследовательских rоризонтах. Однако для
анализа теплообменных и восстановительных продеССОБ необ
ходимо знать распределение температур и концентраций раз
личных составляющих rазовой фазы и по высоте печи. Кроме
Toro; для учета и анализа неравномерности rазораспределения,
теплообмена и восстановления необходимо представить эти pac
U u
пределения для отдельных вертикальных сечении доменнои печи.
Материалы обширных исследований ЦНИИЧМ вполне позво
ляют это сделать.
, Исходной информацией для построения температурных и KOH
центрационных полей служили rрафики распределения темперам
тур и СО 2 по радиусу печи на исследовательских rоризонтах
[99, 107]6 На этих rрафиках выбирали три точки: рудный [pe
бень (наименьшая те:мпература и наивысшее содержание СО 2
по сечению), периферия и центр. Эти точки наносили на rрафик,
на котором по вертикали откладывали высоту печи, а по rори
зонтали температуру или соде.ржание СО 2 . Таким образом,
построенные нами по результатам' исследования з. И. Некрасова
и ero сотрудников температурные поля представлены измене
нием температур по высоте печи на трех вертикалях: в рудном
rребне, на периферии и в центре. Аналоrичныle кривые были
построены нами и дЛЯ СО 2 . В результате получились типич ые
кривые температур и содержания CO по высоте печи.
Сопоставление полей концентраций СО 2 и rемператур поз
воляет объективно судить не только о ходе теплообменных ПрОм
цессов, но и о ходе процессов непрямоrо восстановления. СОПО м
...
ставление этих полеи дает возможность также судить о HepaB
номерностиrазораспределения, теПЛОО9мена и восстановления.
Конечно, кривые распределения исследуемых величин по рам
диусу печи на отдельных rОРИЗ0нтах, предста ленные в иссле м
дованиях ЦНИИЧМ, дают не менее выразительное представле м
ние о неравномерности. ,
Полученные таким образом кривые даны на рис. 44, 45.
Из них следует, что как при обычном так и при обоrащенном
кислородном дутье поле температур выражено типичными Sмоб
разными кривыми. Особенно выразит льны кривые для перифе м
рии. Кривые TeM epaTYP однозначно rоворят о вполне YДOB
летворительной завершенности теплообмена. Наблюдаемую зам
U u
вершенность можно назвать типичном для доменных печеи.
Обнаруживается большая неравномерность теплообмена и
8 Заказ Н!! 97
113
восстановления по сечению, которая также типична для работы
современных больших доменных печей. .j
Как отмечалось, для доменной печи объемом 2000 м 3 наи
более типичная S образная кривая (рис. 44) оказалась на пе
риферии (100/0 СО 2 ): явно выражена зона умеренных темпера
, .,
УроВень засыпа
..
1
h')
..
л
...
с:.::
:t:
t::)
ш
.. ,
N
са
'-'t-"
5
10
с 02' 11>/0
15' 20
I
ОСЬ
ВОJаljШНЫ tpljP'"
500
1000
/
/
/
1r
/
.
1
---- 2
!'; ........x J
. 4-
15"00
2000
t. се
РИс. 44. Изменение температуры и содержания СО 2 в rазовой фазе по
высоте печи объемом 2000 м 3 :
J температура; 2 содержание СО 2 при обычном дутье; 3 темпе
ратура; 4 содержание СО 2 при содержании в дутье 29% кислорода;
а периферия; б рудный rребень; в ось
i'j
тур, свидетельствующая о том, что на периферии вполне ДOCTa
точное количество rазов и отношение WM/W r далеко от единицы.
Кривая же температур в рудном rребне не имеет столь ярко BЫ
u
ра}кеннои зоны умеренных температур, здесь очень мато rазов
(критическое количество) и отношение WM/W r близко к единице.
На доменной печи 2000 м 3 неравномерность п ивела к очевид
ному ухудшению теплообмена. На доменной же печи 2700 м 3
(рис. 45) общее развитие теплообменных и восстановительных
процессов более блаrоприятно. Ero можно назвать вполн YДOB
114
летварительным, атвеч ,ЮЩИМ идеальным представлениям а зане
YMepeHHЫ темп'ератур' и завершеннасти теплаабмена. Кривые
СО 2 па высате печи харашо 'саrласуются с температурными кри
выми.
Нескалька необычный на первый взrляд хад температурнай
.. .
криваи для аси также палнасть саатветствует устанавившимся
представлениям а пративатачнам теплаабмене в слае кускавых
..
материалав при наличии химических реакции.
Кривая, аналоrичная линии «ась» (рис. 45), была палучена
теаретическим путем еще в 1966 r. [89, с. 258; рис. 118, кривые
2 и 3]. .
Если иметь в виду Teape
тические саабражения {89],
та -исследавания з. и. HeK
,расава MatYT быть интерпре
тираваны следующим. абра
зам. Неравнамернае pac
пределение маrерйалав на
калашнике даменной печи
2700 м3 привела к там у , что
на аси рудная наrрузка на
'какс [107, рис. 1] приближа
ется к нулю (садержание ar
ламерата в шихте саст вляет
2780/0), Такае значитель
нае снижение садержания
железасадержащих материа
лав в шихте привадит к Ta
u
му, что. при харошеи rазо
...
праницаемасти асеваи за
ны заметна снижается CTe
пень прямаrа васстанавления
r d. Иначе rаваря, бальшая ,часть акислов железа при наличии
дастатачнаrа каличества васстанавительных rазав vспевает Bac
, ,
станавливаться непрямым путем еще в верхней ступени тепла
абмена. Снижение привадит к' абразаванию в нижней ступени
теплаабмена избытка тепла. Балее HarpeTbIe rазы, паДНИМ,аясь
вверх, разаrревают вышележащие сдои шихты, что. привадит
к vвеличению высоты нижней стvпени теплаабмена. Область
u
начала реакции прямаrа васстанавления при этам также CMe
щается вверх. Распрастранение заны высоких температур в BЫ
шележащие слаи шахты в сваю ачередь привадит к некатараму
расту rd. Пративапалажнае влияние аписанных фактарав на CTe
пень прямаrа васстанавления устанавливает некатаР9е динами
ческае равнавесие, в результате KaTapara температурная кривая
приабретает характер, показанный на 'рис. 45. ТакаЙ хад тепла
обменных працессав на аси печи идеальна саrласуется с хадам
накапления СО 2 па высате. '
8*
'lро6ень
JОСЫПl1
...... <::::>
...... '
[
о
ш
lY
5
СО 2 . %
20
10
15
<::1')
..
..
I
!
J$'
1.()
r-......
/
/
/
tIO
..
/
/
/
.r
'
ОСЬ '
80JdijШНЫ Ij]{JPN
soo
t. ос
. .
1000 " 1,7.00
Рис. 45. Изменение температур и содержания
СО 2 по высоте печи объемом 2700 м 3 . Сплош
ные линии температура, пунктирные co
держание СО 2
115
/
Зона начала реакций прямоrо восстановления, характеризуе
мая увеличением rрадиента температур ПО' высоте печи, на кри
вой С0 2 сопровождается резким увеличением содержания С0 2
в rазовой среде. Отставание по накоплению С0 2 в центре и на
п риферии свидетельствует об избытке здесь rазов. Очень xa
рактерно, Ч,то в рудном rреб:"
не и на оси наблюдается cy
щественное замедление в ос...
становления. Это дает ДOCTa
точно веское основание, чтобы
отметит!? некоторый избыток
высоты для этих участков
вертикальных сечений. В . дo
полнение к этому отметим, что
неравномерность на полях
СО 2 сказалась во MHoro раз
больше, чем на температур'"
ных полях., Сопоставление
кривых С0 2 по высоте печи
в рудном rребне, на перифе
рии и в центре свидетельст
вует о т'ОМ, что весь объем и pa
ботает на восстановление не...
'одинаково; имеются большие
резервы, слабо работают пе
риф'ерия и центр. Использо...
вать эти резервы можно
уменьшением HepaBHOMepHO
сти в распределении потоков
rаза и шихты.
Исследования, проведен
v
ные на доменнои печи при ра...
боте ее на обоrащении дутья
кислородом до 29 о/о, позво.
ляют сделать совершенно опре...
Рис. 46. Поля изотерм в шахте доменной ..
печи: деленныи вывод о том, что
а 2700 м З ; б 2000 м 3 ; УВФ уровень В рудном rребне (см. рис. 44)
воздушных фурм; / /V rоризонты восстановительные процессы
завершаются, и высота зоны
умеренных температур достиrает величин порядка 10 м. Эти
..
данные указывают на излишнюю высоту доменнои печи при
работе на дутье, обоrащенном кислородом до 29 о/о.
На рис.46 приведены изменения температур (поля изотер )
в объемах доменных печей 2700 м 3 и 2000 м 3 , построенные по
результатам исследований Института черной металлурrии МЧМ
СССР. Анализ этих данных подтвердил, что теплообмен в дo
менной печи 2700 м 3 развивается блаrоприятнее, чем на печи
1
1
л
а
tf
!lPOUPHb dОЗОIjШIiЫХ срурм
116
2000 м З : больше зона умеренных температур (почти 13 м) и
меньше неравномерность теплообмена.
Восстановительные процессы развиваются также более блаrо
приятно: круче поднимается кривая СО 2 в рудном rребне и
меньше неравномерность распределения СО 2 по сечению.
В целом более блаrоприятная картина по теплообмену и BOC
становлению на доменной печи объемом 2700 м З подтверждается
лучшим распределением потоков по rоризонтальным сечениям
печи.
Учитывая, что современные мощные доменные печи будут pa
ботать на калиброванной шихте и BЫCO OM обоrащении дутья
кислородом, можно ставить вопрос о некотором снижении BЫ
..
соты этих печеи.
Исследования температурных полей мощных доменных печей
были продолжены на ММК в 1974 1975 r,r. с целью изучения
влияния неравномерности распределения материалов и rаза на
теплообмен в доменной печи. Для исследований были выбраны
два периода работы доменной печи ММК полезным объемом
2014 м 3 , отличающихся друr от друrа неравномерностью распре
деления потоков по радиусу шахты. ,
"Как видно из данных табл. 3, периоды исследований отлича
лись параметрами комбинированноrо дутья, характеристиками за
rружаемых материалов и др. Не преследуя цели анализа влияния
различных факторов на нерав.номерность распределения, укажем,
что отличия в технолоrических параметрах не моrли не сказаться
на неравномерности распределения потоков по радиусу печи.
Во время исследований измеряли температуру и отбирали
пробы rаза с северной стороны на трех исследовательских [o
ризонтах шахты: верхнем (1), расположенном на' расстоянии
2,5 3,0 м от уровня засыпки, среднем (11), нижнем (111), OT
стоящих друr от друrа соответственно на 6,85 и, 8,40 м. Нижний
rоризонт находился на расстоянии 7,1 м от уровня фурм.
, Отбор проб rаза и измерение температур осуществляли на 1
и 11 rоризонтах 11 шести точках, а на 111 rоризонте шахты из-за
.. ..
недостаточнои стоикости исследовательскоrо зонда только
в четыр х точках радиуса печи. Химический анализ проб rаза
выполняли ручным rазоанализатором ВТИ 2. Параллельно с ro
ризонтальным зондированием осуществляли и вертикальное зон
дирование с южной стороны по общепринятой методике. Про
филь исследуемой доменной печи со схемой расположения pac
сматриваемых rоризонтов приведен на рис. 47.
Распределение двуокиси уrлерода и температур по радиусу
доменной печи показано на рис. 48. Анализ этих данных по
казывает, что в периоде А печь работала с большей HepaBHO
мерностью распределения материалов и rаза. Изменение техно-
лоrических параметров в периоде Б привело к исключительно
равномерному распределению температур и состава rаза по ра-
диусу шахты. Это отчетливо видно, если сравнить данные Кинни
117
. а:
ПОКА3АТЕЛИ РАБОТЫ ИССЛЕДУЕМОй ДОМЕННОй ПЕЧИ'ммк
,
ТАБЛИЦА 3
Периоды
Показатель
А.
июль 1974 r.
Б.
июль 1975. r.
Производительность, т/сут.
3аrружено в печь, т/сут.:
кокс (скиповой) . . .
рудная 'сыпь.. . . .
4490
4690
2123 '
7361
2102
7947
Состав рудной сыпи, %:
окатыши .... ... . . . . .
аrломерат ..............
руда железная . . . . . . . . . . .
Содержание железа в рудной сыпи, % . . .
Расход материалов, Kr/T чуrуна:
кокс (в'лажный) . . . . . . . . . .
известняк . . . . . . . . . . . .
Расход природноrо rаза, м 3 /т чуrуна . . .
Характеристика дутья:
температура, ОС. . . . . . .
давление, ,Н/см 2 . . . . . . . .1 .
влажность, [/М3 . . .
содержание кислорода, % . .
37,8
60,0
2,2
58,8
36,0
61,0
3,0
58,2
472
13
105
448
12
123
. .
1170
31,1
24,0
25,3
1186
28,8
'18,4
27,5
Характеристика колошниковоrо rаза:
температура, ОС. . . . .
давление, МН/м2.. .......
СО 2 , % . . . . . . .
со, % . . . . . .
Н2, % . .
367
О, 171
18,1
23,2
8,72
383
0,155
18,5
23,6
9,28
UJI
(1929 r.) (см. рис. 41) с данными Б. Л. Лазарева за 1961 r ,,1
описанными в работе [89]. Максимальная разность температу ,1
по радиусу 11 исследовательскоrо rОРИЗ0нта в период Б co
ставляла Bcero 37 0 С против 123°С в период А. .
, Поскольку содержание двуокиси уrлерода дает в какой то<
u
мере характеристику и полеи температур, то указанная выше за ';
кономерность подтвеР2Кдается и распределением двуокиси уrле-
рода. Содержание двуокиси уrлерода на верхнем исследователь-
ском rОРИ30нте уменьшилось в районе Рудноrо rребня с 23,70/0
в период А до 20,0 О/о в период Б при несущественных . измене-
ниях в периферийной и осевой зонах.
Однако наиболее значительно различия в характере темпе
ратурных и концентрационных полей наблюдались в верхних и
u
средних rоризонтах шахты, в нижнеи же части печи указанное
различие было в значите.,1JЬНОЙ степени, по видимому, сrлажено.
118
ОСЬ
шлакоОой
летку,
.. '. ,.
Но/(лонныu мост
ОСЬ шлш<о80и
7JетlШ
J4450
L
ОСЬ
iI!J2IJ HH OtJ
летки
27500
L
О СЬ ЧУ2gнно u
летки
ОСЬ 880иа
зониа
19200
Рис. 7. Профиль доменной печи N2 9 ММК
с расположением иссле)J.овательских rори
зонтов (l I /1)
1
ЗJОО
t'\,a
I
,+-
I .
I I
r
.ш
л
t:::>
s?
........
ф 10900
с;:)
"'">
Ф9750
OCL7 80:IIJ!/ш нь/).
Ерурм
"
Проанализируем влияние неравномерности на ход теплооб
менных и восстановительных процессов в различных вертикаль
ных элементах печи." С этой целью были постро ны темпера
Т ур ные поля и К р ивые KOHцeHT p a '
t,OC
ЦИИ двуокиси уrлер,ода в трех Bep
u
тикальных элементах печи: в раи
ане рудноr9 rребня, цериферии и
оси. Кривьfе температур и СО 2 ДЛЯ: БОО
этих зон печи приведены на рис. 49.
Во всех сечениях, а следова
тельно, и для всей печи наблюдает
ся типичный S образный характер
изменения температур по высоте 800
Рис. 48. Изменение температуры
rаза (1) и содержания в нем СО 2 (2)
по радиусу' исследовательских ro
lЗОНТОВ:
а Верх шахты; б середина
шахты; в низ шахты. Характери
стики периода А показаны сплош
ной линией, периода Б пунктир
НОЙ
700
500
900
700
,,00
1000
а
C0'l'%'
20
15
о
1000
15
70
8
10
s
900 . о
о 1000 2000 .10004000
Расстонние от стенки печи, мм
(по Б. И. к.итаеву), а следовательно, теплообмен завершен
во всех кольцевых сечениях. Однако при раз ичной HepaBHO
мерности ,распределения имелись существенные различия
119
в размерах зоны замедленноrо теплообмена, степени завершен-
ности теПЛОQбменных процессов в отдельных вертикальныхэле
ментах печи.
Высокая' степень неравномерности в период А была причиноЙ
Toro, что температурн'ое поле в районе рудноrо rребня не имело
..
ярко выраженноя зоны умеренных температур, а отношение теп-
лоемкостей потоков шихты и rаза здесь было близко к единице.
Такой режим теплообмена, как отмечено ранее (см. с. 66), бли-
зок к критическому. В то же время зоны периферии и оси печи
о
CO z , %
10 О
10
20
4
t:::
t:::;j
12
';::;,
:r::. 20
Е::
"
1..)
'l
//
"'cf
10
CO z ,%
20
/
/
/
/
/
tf
I
I
I
I
J 01
I а]
]
а
300
' ,1000
о
1400 400
,
1200 t. ос
БОО
800
Рис, 49. Изменение температур и содержания двуокиси уrnерода по высоте
, одной из доменных печей:
а период А; б период Б; 1 рудный rребень; 2 ось; 3 периферия. Ха-
рактеристики температуры показаны сплошными линиями, содержания СО 2
пунктирными
в этот период работали весьма слабо, имея чрезвычайно разви
тую зону умеренных температур,' а зона интенсивноrо теплооб
мена локализовалась в основном на 1 и 111 rоризонтах шахты.
Таким образом, в этом периоде фактором, лимит рующим
тепловую работу доменной печи, было недостаточное количество
rаза, проходящеrо через рудный rребень. В этой связи лоrично
предположить, что повышение равномерности распределения
rазов и материалов позволит исключить лимитирующее звено пу
тем ИСПОЛьзования мероприятии, обеспечивающих правильный,
т. е. классический, S образный ход температурных кривых в рай
оне рудноrо rребня. Это полностью подтвердилось на следующем
..
этапе исследовании.
,Ход температурных кривых (период Б) позволил однозначно
оценить изменение размеров зоны умеренных температур во всех
u
кольцевых сечениях при меньшем неравномерности ,распределе
120
IIИЯ. Теплообменные процессы в этот период исследований разви
вались наиболее блаrоприятно. rрадиент температур в район
рудноrо rребня между 1 и 11 rоризонтами составил Bcero 14 0 С/м
против 35°С/м В предыдущем периоде, т. е. был почти в 2,5 раза
меньше6 Размеры зоны умеренных температур практически оди
иаковы во всех вертикальных элементах, и с точки зрения теп
лообмена в этом периоде, даже
в районе рудноrо rребня, печь
работала с явным резервом вы..
соты в 7 8 м. '
На рис. 50 приведены поля
"
изотерм в шахте доменнои печи,
построенные по результатам Ha
тих исследований. Сопоставле
иие полей изотерм при большой
(рис. 50, а) и малоЙ (рис. 50, б)
HepaBHOMepHOCT X показывает,
что более ровное температурное
поле по радиусу печи приводит
к снижению интенсивности теп
лообмена и восстановления в ce
редине шахты, а итоrи вертикаль
Horo зондирования (рис. 51) под
тв рждают это.
При анализе хода BOCCTaHOB
ления наибольший интерес пред
ставляет изменение скорости BOC
становления по высоте печи
в различных кольцевых сечениях.
В качестве показателя скорости
восста новления обычно прини
мают скорость накопления в rазе
двуокиси уrлерода6 Однако в co
временных условиях при приме
нении комбинированноrо дутья
..
такои метод не отражает в пол
..
нои мере хода восстановитель
ных процессов из за наличия водорода инеравномерности ero
распределения по радиусам печи. Поэтому о ходе восстанови
тельной работы rаза, как показал К. М. Буrаев [45], лучше cy
ДЦT Ь по содержанию в них кислорода шихты. Исходная и;нфор
мация для расчетов приведена на рис. 52. Расчеты были выпол
нены ПО методу А. Н6 Рамма [108] с использованием peKOMeHдa
ций К. М. Буrаева [45].
В исследуемой печи ММК (рис. 53) ход восСтановительных
процессов по высоте печи в период А характеризуется хорошей
реrулярностью и малой неравномерностью. В середине шахты
различие в .восстановительной работе в рудном rребне и на
а
о
Рис. 50. Поля изотерм в шахте той же
доменной печи ммк. при большой (пе
риод А) и :малой (период Б) HepaBHO
мерностях распределения
121
,О
,
.. 4
8
12
16
8
а
'500 700 900 1100
t ос
1
!
6
"
,"'
:А
3
10
JO J5
СО, %
15 20
СО 2, ,о
15
20 25
Рис. 51. Изменение температуры (а), содержания СО 2 (6) И СО (8) по высоте той
же доменной печи ММК. Характеристики периода А даны сплошными линиями,
периода Б пунктирными
40
JO
20
10
О
"О
t;::s. 10
1\.)
ct. 20
:t
10
О
(;
t;O
JO
20
а
о
1000
J
о
2000
2000
О
JOOO
3000
1000
I
U l
л
А... А
А .......
I
.f'\.. .....
...
I
.... ...
'"
.
о 1ООО 2000 1000 3000 2000 1000 О
..... ш J\.
А А
I оСО 2
I 6СО
... .....
. Н 2
I...r'"
J"\
7'
10
О
О
1000
1000
JOOO 4000 4000 JOOO 2000
РпсстопНl1Р от стеНlШ печи. мм
1000
о
Рис. 52. Распределение состаВа rаза в шахте той же доменной печи MMI<:
а период А; б период Б; l ll 1 номера исследовательскИх rоризонтов
122
периферии незначительное. Заметно существенное замедление
восстановления в верхних rоризонтах. Это указывает на хорошее
использование высоты при
u '
даннои системе заrрузки.
Эти особенности' еще более
четко проявляются в период
Б, особенно ,'В рудном rребне.
Хорошо прослеживается взаи
мосвязь хода восстановления
и температурных полей (СМ6
рис. 50). в период Б область
высоких температур' оnусти
лась против периода А и COOT
ветственно на более низких ro
ризонтах наблюдались MaK
симальные скоро ти накопле
иия Ош'" по высоте. В период Б
в рудном rребне наблюдалось
в верхних rоризонтах' еще бо
лее медленное нарастание От
по высоте (см. рис. 53).
ТаКИ}\1 образом, повышение
равномерности распределения
потоков материала и 'rаза по '
радиусу сохраняет завершенность теплообмена в периферии
в центре печи и приводит к более четкому S образному xapaK
теру температурноrо по я, особенно в районе рудноrо rреБНЯ6
j
7
11
.....
15
\..,)
\..,)
19
п
о 1
6.2
о]
i
I
о
10 20
0w. Kz/fOO м 3 cl/xoeo 20ЗО
10
Рис. 53. Изменение количества rазифици-
pOBaHHoro кислор'ода шихты в различных
вертикальных элемеитах доменной печи:
J ....... рудный rребень;' 2 периферия; 3
ось. Характеристики периода А даны
сплошными линиями, периода Б пуIiк.
тирными
2. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕСТАЦИОНАРНЫХ
ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЯ В ДОМЕННЫХ ПЕЧАХ
Вследствие периодической отработки продуктов плавки ДOMeH
u . u u
ныи процесс характеризуется устоичивои нестационарностью.
Постановкой специальных исследований, цель' которых co
со
стояла в определении уровня циклцчнои нестационарности
u
И возможностеи ее устранения, удалось несколько расширить
наши представления об этом сложном явлении.
Нестационарность процессов в доменноЙ плавке может быть
определена по изменению выходных параметров, в частности по
температуре КОЛОlliниковоrо rаза и, характеристикам процесса
непосредственно в слое шихты, поэтому для исследований были
использованы специальные датчики. '
Поскольку цикличная нестационарность обязательно прояв
Ляется в среднем уровне температуры КОЛОшниковоrо rаза, на
исследуемых доменных печах были 'установлены термопары,
позволяющие измерять осредненную во времени температуру
колошника, отфильтровывая пульсацию температуры rазо
80ro потока, вызываемую цикличностью заrрузки шихты.
123
Обеспечивалось это за 'счет повышения 'инерциоцности TepMO
пар. Схема инерционной термопары показана на рйС. 54.
Для выявления нестационарности процессов в слое шихто
БЫХ материалов необходимо' непрерывно во времени оценивать
температуру, состав и давление rаза на различных rоризонтах
печи; обеспечить' эти изменения ,можно только' при установке
в слое шихты стационарных датчиков. Обычный метод верти
кальноrо зондирования для' этих целей неприrоден. Поэтому
было предложено установить в доменных печах стационарные
М:tIоrоточечные зонды (рис. 55), которые опускали в печь и за
тем стаБИЛИЗИРОl3али в стрлбе IiIихтовых материалов.
Во' избежание науrлероживания сп-аев термопар последние
предварительно подверrали электролитическому ХРОМИРQванию.
ОПЫТ эксплуатации исследовательскоrо зонда показал хорошую
стойкость ero (15 20 суток) при достаточно высоком качестве
информации.
Одновременно с вертикальным .зОНДИРО,ванием осуществляли
и rоризонтальное. Для ЭТоrо использовали стационарную YCTa
HO KY дистанционноrо отбора проб rаза по радиусу BepxHero
rоризонта. В р.аЗЛИЧНI;>IХ точках по р,адиусу печи дваждыI отби
рали пробы rаза по ходу выпуска: перед открытием чуrунной
JI тки и посл'е ее закрытия.
, L(ля определения изменения rидравлическоrо сопротивления
u.u z
,орошаемои коксовон ,нас,адки по ходу плавки непрерывно изме
ряли " статическое давление rазов iз фурменном очаrе и шахте
-печи на высоте 7000 мм от уровня воздушных фурм., С целью
:исключения влияния динамическоr<;:> напора давления в орошае
..
мои зоне печи отключали с помощью реrулирующеrо клапана
подачу дутья на исследуемую фурму.
Анализ нестационарности процессов теплообмена проводили
на доменных печах А и Б ММ'К объемом соответственно 1370
и 2014 м 3 . Эти печи характеризуются наибольшим объеМQМ по
.сравнению с остальными печами комБИlIаrа 11 различной перио
дичностью отработки жидких продуктов плавки, поэтому pe
зультаты исследований их нестационарности. наиболее инте
'ресны и представительны.. Выпуск чуrуна осуществляли на дo
менной печи Б поочередно через две чуrунные летки 14 раз
в сутки, а на печи А, было рассмотрено два режима работы,
J{оrда печь работала с восьми и десятиразовым rрафиком BЫ
-пусков чуrуна и шлака. Профили печей показаны на рис. 47 и
:56. Верхний шлак отрабатывался только на печи А, но Hepe
rулярно и ero количество составляло в среднем 25 О/О общеrо
выхода шлака. Обе печи в период исследований выплавляли
передельный чуrун. ' ,
Особенностью технолоrии доменной плавки в условиях ММК
является относительная стабилизация входных ДYT eBЫX пара
метров (расход дутья, ero температура, влажность, состав).
в течение Bcero периода исслеДОВ,аний печи работали при
124
'.. ,
1
2
J
ч
5
1500
100
150
б
Рис. 54. Схема инерционной термопары для контроля средней температуры колошнико
Boro rаза:
1, клеммная коробка; 2 крышка; 3 защитный чехол; 4 внутренний чехол; Б инер
ЦИонный наконечник; 6 опорная rайка
2
1
J
,
:
:
:
,
,
:
,
, I
t:::> A A
t:::>
.
......
1, 1,1
1(. I ' 8
'1
"1' 11
I L... I ...'
L: t .......J
Рис. 55. Конструкция стационарноrо мноrоточечноrо зонда для
изучения нестационарности доменното процесса:
1 защитная труба; 2 алундовая изоляция; 3 rазоотборная
трубка; 4 термопара; 5 резиновая пробка; 6 накидная
2f'айка; 7 вставка для отбора rаза; 8 отделяемый наконечник
125
максимально возможной степени стабилизации входных пара...
метров. Расход дутья поддерживали на постоянном уровне. Пара
метры комбинированноrо дутья также были стабилизированы.
Исследования характера изменения температуры колошни
KOBoro rаза во времени, проведенные на доменной печи А, по
казали наличие устойчивых низкочастотных колебаний, совпа
дающих по времени с выпуском из печи чуrуна и шлака. При
этом средняя температура колошниковоrо rаза всеrда повыша
лась пере,ц выпусками продуктов плавки (рис. 57). Существенно
по ходу плавки изменялась и скорость схода шихтовых MaTe
риалов. В периоды выпусков чуrуна она достиrала 150
6600 .J4400
I
JOOO
's
..... Ф.92JО'
14000
.
Ф8000j
к
.......
.......
с:::>
"""'>
t О[
,
450
"
1j00
150
JOO
14
1.?
16
17
18
f,ч
Рис. 57.. Колебания температур колошниковоrо
rаза по ходу плавки На доменной печи А
(8 выпусков в сутки):
ВЧ выпуск чуrуна; ОВШ отработка Bepx
Hero шлака
...... Рис. 56. Профиль доменной печи А и схема
, расположения исследовательских отверстий
155 мм/мин, в то время как перед выпусками сокращалась до
125 130 мм/мин на доменной печи Б и соответственно до 130
,.
135 и 80 90 мм/мин на доменной печи А. Вследствие этоrо
теплообменные, восстановительные и rазодинамические про
цессы в шахте исследованных доменных печей (рис. 58) ха
u
рактеризовались высоком нестационарностью.
Как показал дополнительный анализ (см. рис. 59), процессы
теплообмена в шахте доменной печи отличались существенной
нестационарностью. При этом наибольшие пределы колебаний
температуры, связанные с процессом накопление выпуск, об
наружены на верхних rоризонтах. Максимальные пределы KO
лебаний температур, обусловленные периодичностью отработки
продуктов плавки, на I V rоризонтах соответственно на ДOMeH
ной печи Б составляли 150, 270, 120, 70, 40 0 С" а на печи А 170,
310, 200, 100, 80 0 С. Характер изменения среднеrо значения TeM
u
пературноrо поля шахты исследуемых печеи во времени между
смежными выпусками по показаниям мноrоточечноrо зонда
представлен на рис. 60, а, б.
126
..;::s -о 90
I
_ .0,85
s-,) О, 82
82
76
t'1i5
110
...
105
'
с" 19
о
со) 18
o, 9
0,78
,
о
JO
60 90 120 150
( мин
Рис. 58. Характер изменения парамет
ров доменной плавки Me дy смежными
,выпусками чуrуна (доменная печь Б):
.': J отношение теплоемкостей в верхней
ступени теплообмена; 2 теплоемкость
шихты; 3 теплоемкость rasa; 4 co
держание СО 2 в колошниковом rазе;
5 -т- давление rорячеrо дутья
,О
..
2
.
6
::::s
10 а
400
''':
БОО
t;
800 100
t се
,
800
БОО
400
200
О
1000
800
, БОО
400
200 5
О 20 40 60 80 100 120
'С, NUff
'1 ,.,
Рис. 59. Изменение температур на ro-
ризонтах шахты доменных печей А (а)
и Б (6):
t" t 2 , t з , ,f4 те пературына. rоризон
тах /, П. l1 /, /У соответственно; t и
температура колошниковоrо rаза; ВЧ
выпуск чуrуна; ОВ.Щ отработка верх-
Hero шлака .
,; ,-
i'
500
,
700
БОО
800
" ос
"
Рис. 60. Характер изменения температурноrо поля шахты доменных печей
между смежными выпусками чуrуна:
а печь Б (по 'данным за 184 выпуска); 6......... печь А (по данным за 105 вы-
пусков при 10 выпусках в сутки); в то же, по данным за 150 выпусков
при 8 выпусках' в сутки; 1 начало выпуска; 2 середиНа выпуска; 3
конец выпуска
121
Анализом температурных полей установлено, что явление
Цикличной нестационарности теплообмена в доменной печи Б
выражено меньше, чем аналоrичное явление в печи А. Это
можно объяснить меньшим количеством выхода жидких продук
тов на единицу объема ropHa на печи Б по сравнению с тем
же показателем печи А, что, естественно, сказывается на вели
v \
чине пульсации скорости схода шихтовых материалов от BЫ
пуска к выпуску, а следовательно, и на процессах теплообмена.
В связи с этим определенный интерес представляет сопо
" u u "
ставление пульсации температурных полеи однои и тои же дo
u '
меннои 'печи при работе ее с различными количествами выпус
ков. На рис. 60, в приведены температурные поля шахты ДOMeH
ной печи А По результатам исследований, коrда выпуск чуrуна
осуществлялся восемь раз в сутки.
Не сопоставляя абсолютные значения температурных полей
доменной печи А при раз.ПИЧl!ОМ количестве выпусков, ввиду
v '
различии в параметрах дутья и характеристиках проплавляе
Moro сырья, укажем лишь на то, что повышение числа выпусков
на 250/0 уменьшило пульсации температурноrо поля примерно
в 1,3 раза.
Отметим, что, по нашим исследованиям, температура зоны
замедленноrо теплообмена является динамическим параметром,
..
но в значительно меньшеи степени, чем температура в вышерас
положенных слоях шихтовых материалов. Как видно из рис. 60,
. средние колебания температуры зоны замедленноrо теплооб
мена, связанные с циклом. отработки жидких продуктов
плавки, составляют Bcero 20 300C.
Следовательно, наличие цикличной нестационарности при
существующем способе отработки продуктов плавки не Hapy
шает в целом завершенности теплообмена в доменной печи, п()
этому в первом приближении можно принять, что изменения
скорости схода шихтовых материалов в цикле накопление
выпуск не изменяют температуру материалов, поступающих
в нижнюю ступень теплообмена.. Зона замедленноrо теплооб
мена выполняет в этом случае роль буфера, компенсируя
..
в определенных пределах возмущающее воздеиствие периодич
'ности отработки продуктов плавки. ,
Как известно, для нижней зоны теплообмена характерным'
является соотношение W M > W r , И шихта выходит из теплооб
мена обязательно недоrретой, с температурой более низкой, чем
rаз. Поэтому, несмотря на незначительные изменения темпера
туры материалов, поступающих в нижнюю зону теплообмена,
увеличение скорости схода материалов, а следовательно, W M
в период выпуска приводит к существенным колебаниям темпе
ратур и в нижней части доменной печи. Это обстоятельство и
было обнаружено М. А. Стефановичем с сотрудниками [109].',
Анализ изменения состава rаза по ходу выпуска показывает,
что концентрационные поля rаза по ходу выпуска и меняются
128
также циклически. На рис. 61 прйведены распределения СО 2 и
СО по радиусу 'BepXHero rоризонта. Состав rазовой фазы на
периферии печи является более динамичным параметром, чем
в районе рудноrо rребня. В отдельных точках по радиусу KO
лошника значения концентраций СО 2 достиrают максимальной
разницы' 8,6% i '(абс.) в конце выпуска. По мере накопления
жидких продуктов плавки происходят изменения в характере
распределения состава rазовой фазы по радиусу печи. На pac
стоянии 50 мм от кладки к окончанию выпуска содержание
СО 2 повышается на 1,1 о/о. в районе Рудноrо rребня и оси изме
нения состава rаза осуществляются в меньших пределах по
сравнению с периферийной
зоной. Восстановительная
способность rазовоrо по
. U".
тока в раионе, рудноrо
rребня использована в боль
u '
шеи степени, чем в осталь
ных зонах, и состав rаза
ближе к равновесному. По
этому одинаковые измене
ПИЯ' скорости схода MaTe
риалов вызывают в рудном
rребне меньшие пульсации
состава rаза по сравнению
с остальными зонами. Боль
тая динамичность KOHцeHT
рационных полей в перифе
рийной зоне обусловлена,
u
по всеи вероятности, изме
нением rазораспределения
по ходу выпуска. ,
, в качестве характеристики r'азопроницаемости слоя шихты
обычно используют величины перепадов давлений по высоте
печи. Широкое использование их, как определяющих парамет
ров, в практике упр.авления ходом печи свидетельствует о дoc
v '
таточнои надежности этоrо критерия. . ":'
Практически во всех случаях во ,время выпуска наблюда
лись снижения давления rорячеrо дутья на доменной печи Б
в среднем на 12 кН/м2 с общеrо, BepxHero и нижнеrо перепадов
давления соответственно на 12,5; 5,0 и 7-,5 кН/м 2 . На печи А эти
колебания были более существенны и составляли при 10 разо
вом rрафике выпусков 15,0; 7,0 и 8,0 кН/м2 соответственно.
rазодинамика в нижней части печи, по имеющимся данным,
v о
в значительнои ,степени определяется своиствами и поведением
расплавов, условиями их формирования и фильтрации Ha
встречу rазовому потоку. В связи с циклической нестационар
о
ностью тепловоrо состояния изменяется количество жидкои
фазы, аккумулированное коксовой насадкой.
9 Заказ NQ 97
CO z ,%
.
20
СО,%
'23 .
2,9':' '/
20
lб
17
23
1ft
О 1000 2000 3000
РасстОЯНl1е от стеНlШ пеуу м
,
Рис. 61. Изменение состава rаза по ХОДУ вы-
пуска на печи Б. ,Сплошной линией даны ха-
рактеристики начала выпуска. пунктирной
конца
129
Анализ результатов сследований rидравлическоrо сопротив-
ления орошаемоrо слоя показал, что количество шлака, находя-
u u
,щеrося в коксовои насадке, продуваемои rазом, увеличивается
между смежными выпусками на доменной печи Б от 0,013 до
0,033 м 3 /м 3 , т. е. изменяется примерно в 2 2,5 раза. Следова-
u ,
тельно, однои из причин изменения rазопроницаемости в ниж
..
. неи части печи является периодическое снижение порозности
_ слоя, обусловленное накоплением расплава в объеме насадки.
Аналоrичные результаты получены и сотрудниками Института
металлурrии УНЦ АН СССР на доменных печах НТМК [71].
Как показал анализ результатов исследований, ,количество
шлака, находящеrося в межкусковом пространстве насадки, co
тавляет 3 8 О/о ее свободноrо объема. Эт.о свидетельствует
О том, что в нормальном режиме работы низа доменной печи
коксовая насадка практически вободна, от шлака. СуществеН7"
ное накопление шлака в слое кокса, продуваемом rазом, воз
можно, очевидно, только в режиме движения жидких фаз и
rаза, близком к затоплению насадки. К такому же выводу при
шли и авторы работы [71]6 .
Одной из причин улучшения rазодинамических условий pa
боты нижней и верхней частей печи к концу выпуска является
и понижение температур вследствие повышения скорости опус
кания шихтовых материалов, и снижение скорости фильтрации
rаза.
, ,
'Таким образом, исследованиями установлена, что цикличе
екая нестационарность rазодинамических процессов в сл'ое ших
товых материалов определяет наличие' существенных резервов
u
с точки зрения rазопроницаемости шихты при существующеи
u
технолоrии доменнои плавки.
Нестационарность хода доменноrо процесса, обу ловленная
периодичностью колебаний скорости схода материалов, потребо
вала пересмотра существующих в настоящее время взrлядов на
вопросы стабильности параметров комбинированноrо дутья.
Анализ изменения в технолоrическом ходе доменной плавки
,ц закономерностей теплообменных, восстановительных и rазоди
намических процессов показал, что в современных условиях при
вдувании природноrо rаза и обоrаrцении дутья кислородом ли
митирующим условием в большинстве случаев явля.ется тепло..
; Бое" состояние' печи [89]. Поэтому любые изменения параметр.ов
дутья должны rарантировать сохранение распределения темпе
u
ратур по высоте домеННQИ печи, а следовательно, и в значитель
ной степени условий восстановления шихты. При этом идентич
ность температурных полей может быть достиrнута при по
стоянстве отношения теплоемкостей потоков шихты и rаза
в пределах верхней ступени теплообмена.
Если нет нестационарности, это леrко осуществляется под..
держанием параметров комбинированноrо дутья на постоянном
уровне. Если же не стационарность налицо, то стабилизировать
130
... . ,
тепловое состояние печеи можно изменением во времени пара
метров комбинированноrо' дутья, поддерживая опять таки по ;
... ..
стояннь м отношение теплоемкостеи в верхнеи ступени тепло
обмена6
'Наличие нестационарности одновременно открывает блаrо
приятные воЗМожности повышения расходов дутья и природноrо
rаза в' период выпуска чуrуна вследствие обнаруживающеrо pe
зерва по rазопроницаемости шихты.' При выборе реrулирующих
воздействий необходимо учитывать противоположное влияние
u
рас одов,этих сред на интенсивность доменнои плавки при OT
u
сутствии оrраничении со стороны rазодинамики.
", Кислород, вносимый в печь дутьем, используют в первую
чередь на rорение природноrо rаза, и только оставщаяся ero
часть' вступает во взаимодействие с уrлеродом кок<;а. 'П,оэтому
простое увеличение расхода дутья без добавок прир:одноrо rаза
не позволит достичь ожидаемых результатов, так как в этом
случае увеличивается количество кокса, сжиrаемоrо у фурм и,
как следствие, скорость схода шихтовых материалов. Это может
. ..
вызвать дальнеишее похолодание печи.
С друrой стороны, повышение расхода природноrо rаза не
позволит реализовать всех имеющихся резервов ввиду замед
лен я хода печи из за уменьшения количества кокса, сжиrае
Moro у фурм. . '
. Только совместное воздействие этих параl4етров Может дать
, ..
Жел'аемыи результат, так как теплоемкость потока rазов воз
растает, не увеличивая теплоемкости потока материалов.
В связи с этим коррекцию входных П'араметров по ходу' плавки
необходимо осуществлять таким образом, чтобы кислород дo
бавок дутья в большей степени был использован на конверсию
добавок природноrо rаза6
Для проверки высказанных выше сообраЖ,е!lИЙ .были прове
.. '
дены опытные плавки с коррекциеи параметров дутьевоrо pe
жима ,по ходу выпуска. Опытные плавки с, использованием KOp
'.. ..
ректирующеrо воздеиствия были проведены H доменнои печи
А в три этапа продолжительностью шесть суток каждый и
в один этап длительностью также шесть суток на печи Б. Диа
rpaMMbl корректирования параметров дутья Па различных эта
пах плавок 'прив дены на p c. 626 Реrул р-ование расхода дутья
осуществля ,9СЬ ,малым снортом. С этой' целью был увеличен
расход дутья' на. воздуходувной машине, а сброс дутья в пред
выпускной п риод о ущ ствлялся' алым' снортом. В течение.
всех плавок печи хорошо принимали циклические добавки дутья
и природно!,о rаза.
К началу опытных плавок печи работали достаточно эко
номно и высокопроизводительно (табл.. 4), удельный расход
кокса (cyxoro) составлял на печи А 481,4 Kr/T чуr:уна, а про
изводительность 3055 т/сут; на печи Б эти показатели были
равны соответственно 503,2 Kr/T чуrуна и 4481 т/сут.
9*
131
'0:1'
<
::r
:s::
t:;:
щ
<
f--o
......
'.д
:r::
Е--<
::а
t::
о
о
р..
t::
r:!I
:s::
-<
::r
t::
><:
::а
::t
:r::
щ
о
r::I
::а
Е--<
О
f.Q
-<
Р.
'С:::
'f-<
-<
('t')
о
t::
132
о
r:!I
-<
t:;
t::
.:s:
:st=:f
:1:0
e-о:S:
...Q..
"Q<IJ
1:::=
О
.:;:
:at::t
=0
t:f:S:
00.
:><(11
ul:::
:S:
J.Q
"Q
<IJ
=
tr:I
CI:I
=
::с
<IJ
J::{
о
:s:
ffi' >
1:::
::а
=
,.Q
1::;
о
' >
:t: .....
о
<IJ<IJ
:S::S
:С=
t::t=
QJCI:I
В"t::t
<:
.а
QJ
t::
tr:I'
CI:I
=
::с
(11
:е
&
I!!:{
О
:S:
Q.
QJ
= .....
.:s:, .....
:s
=
е-о
:а
1::
о
.:S:
:ё"'f
:СО
t::t:S:
00.
:><<IJ
ut::
:S:
=:
:s:
Е-<
u
:S:
Q.
(11
Е-<
CI:I
а.
CI:I
><
СОМ
с'\1
СО
СО .....
00
CO
..... О
О
М
C')
00
00
с'\1
OO
..... с'\1
<::>
м
....
....
....
СО.....
.....
О
М
СОМ
О
<::>
м
.....
СО .....
СО
О
М
LQLQ .....
..... LQ 00
О
М
.. .
.. I
S . .>'.
""i. I:r"
g . -t:. ·
о.. ,ut:.. .
6E::- .
..
. .. .
..QCo)
Е-< .E-< .
со) (,)0
О . О 6
:с ==
.Q ...Qo.
. .
Е-< Е--><:
::s: .::s: >, 6
.Cfu .
а .
t:i ::s:0
О .0tjCO
o.. o..co
t:: u t:: Q., t:..
с'\1
o':i
o':i
с'\1
..
м
О
LQ"
О
..
М
СО
с'\1
LQ
С')
..
LQ
СО
LQ
..
с'\1
Ф
<::>
..
М
СО
..
м
ОФ
О 00 .....
o':i с'\1 с'\1
Ф .....
М .....
OO
.. ..
Ot--.
O .....C'\1
о') .....
М .....
.....
с'\1 ....
OOLQLQ
<::> LQ с'\1
о') ......
с'\1 .....
МСО
.. ..
О О '
CLQ......C'\1
o':i ......
с'\1 ......
OLQ
.. ..
LQO
......LQ
o':i ....
с'\1 ......
ФLQ
..
СН::') 00
MLQ с'\1
o':i ......
С'\1...... . .
ф
LQOO
...... LQ ...... с'\1
o':i .....
С'\1' ....
МФ
.. ..
OOM
OLQ
о') .....
....
O')LQ
.. ..
OLQCO
О с'\1
о') .....
с'\1 .....
..'cE-<'
'" Q>:::. .......
6 '" 6
........
. . d'" .
.. ..a::t:crr.
tc:OM
. '::s:o..co.
О :cOt:..
5"Q)t:::: .
.U :с е 6
.O.. g.
::S:E-<:ССОt:;:<J) 6
>,::s:o.. ::s:o
<J)t:i::g:>-.>,:co...
о.. ;;--- ..Q со 8. .
':s: ::g о..:с t::
00 Q)Q)0..
><: .. t:: t:: Q) t:i
Q)u,......, Q) OCO
..Q >,Q)E--O><::c
E--о..о..Е-<('.)(,)и>'
>.
t::! Q.,9
I
О
"'.
::s:
о..
t::
.....
м
00
LQLQ Ф
c:.O:Ic:.
00..... M
СОМ М
.....
с'\1
00
LQLQ М
o:.c:.I "":
C'I:) м
СОМ м
о
.....
....00') М
..... ООф
..
с'\1
00
о') Ф LQ ..... М
ФС'\1 ......
с'\1
Ф
с'\1
M LQ.....
ОФМООФ
8'10 .. .... .. ...
ФФ С')М
со .....
('1')
00
0').....0 м
LQ.....ММф
.. ... .. ... ...
.....ООООМ
СОС'\1......М
.....
СО
LQ
......LQLQФ
........... .. ..
.. .. .. M
00 C'\1
ФС'\1
('1')
..
с'\1
C') 00
Ф LQ ф
.. .. .. ... ...
OOM M
LQ с'\1 ..... C'I:)
с'\1
<::>
со
C'\1 o':i
О') ФLQLQ
... ... ... .. ..
C'\1t--.0')0')
Ф
о
о
о')
Ф
Ф Ф
M<::>LQLQ
...........
Ф с'\1 ..... с'\1 М
LQ М ..... М
. . . . .
о
...... .....
ООМ
LQ с'\1
М
.....
00 с\.1
LQ с'\1
М
с\.1
ФО')
.. ..
CO
LQM
М
.....
..... <::>
LQ tC
('1')
м
ФО
t--. .....
'-C
М
С')
LQ<::>
.. ..
LQ
LQ
М
м
..... LQ
t--. tC
'-C
М
O')
.. ..
LQ
LQ ('tj
М
LQ
.. ..
OO
LQ с\.1
М
. .
'::S:
......0..
:с
. . . . . t::t . C'CI
:>-. . =
., .со '0...>'
== t:..
.. . 'CQ.
6' .>,Е-< 6
. . ::r Е::- со Е--
t:J:: .. 00.........
,.Q о Е-< .. Q)
0..0 ........СО=:.;:::
:а .. t:.. Q)
со) о D:: OO ...
.. СО..>,
Q) t: ...: !; ::s:: о.. Q) .:::С:
::s: " .... .w tc: t:.. со
==0..!3)З== .=:
Q)CL) Е-<=со!3
t:;: :aco(,) :::R
t:: О Е-< CL) t:J:: о
>,t:;:CO coo..
Е-- t:.. :>-'00:c Q) =0
Co)COOQ.::S:t:::t t::><:
8
o':i О
О 00 с'\1
... .. ....
""""O').....
с'\1 ..... с'\1
М
М с\.1 .....
O')LQC'\1
.....00C'\1
с'\1 ..... с'\1
М
.....
LQ I..Q LQ
.. .. ..
о 00 с'\1 Ф
СО.....С'\1
М
LQСФ
OOLQLQ
.. .. ..
00 00 с'\1 со
LQ ..... с'\1
М
O M
ООФLQ
.. .. ..
с'\1 00 с'\1 со
Ф.....
М
0000
м ф t---
.. .. ..
ООО')С"!Ф
...... с'\1
М
фC'l.:)Q':)
M
......О')С'\1ф
LQ......
('tj
LQ О LQ
OOOLQ
.. ..
ОО CI':)ф
LQ.....C\.1
М
ФtCLQ
00 с\.1
.. .. ..
о') 00 м со
""'C\.1
('tj
. . . .
MU
СОО
t:..
. . .
..
':S::C0 6 ..
:а о..
.. .
.
..::s:: Q)
:с t:: .. о
oo"
t:;:E--UU.....
о
J
Характерной ;.особенностью опытноrо периода для печи А
являетс ухудшение характеристик проплавляемоrо сырья. Co
. u
держание железа в руднои части шихты понизилось в опытном
пер.иоде на 1,14%. Остальные технолоrические параметры при
работе печи с коррекцией параметров дутья в основном OCTa
вались практически неизменными.
Производительность печи А составила в опытном периоде
3027 против 3055 т/сут в исходном, а расход кокса сократился
с 481,4 до 465,9 Kr/T чуrуна..
Основной причиной, BЫ
u
звавшеи понижение произ
водительности, является бо
лее низкое качество шихты,
.. "
применяемои в опытном пе ,
риоде. Наиболее экономич
но работала печь на TpeTЬ
ем этапе опытных плавок,
...
коrда удельныи расход
кокса снизился до 462,5 Kr/T
чуrуна, а. производитеo!lЬ
ность составила 3011 т/сут,
несмотря на снижение co
держания железа в шихте
на 1,18% по сравнению
с исходным периодом.
Особый интерес пред
ставляет анализ технико
u
экономических показателеи
работы печи после оконча
ния опытных плавок. По
этому, кроме исходноrо пе
риода, был выбран KOHT
u Рис. 62. Диаrраммы иэменения расходов дутья
рольныи продолжительно и природноrо rзэа по ходу плавки:
стью 18 сут сразу после а доменная', печь Б; б период 1. печь А;
окончания' опытноrо пе р ио 8 период Н. печь А; 2 период III. печь А;
В Ч вып ск чуrуна
да (см. табл. 4). '
в течение первых четырех суток конт.рольноrо периода (пе-
риод IV) печь работала с 'теми же теХIJол,оrическими показате-
лями, что и В исходном периоде6' Технико экономические пока..
затели работы печи и в,этом периоде были значительно хуже
по сравнению с опытным: удельный расход кокса возрос на
9,9 Kr/T чуrуна, а среднесуточное производство снизилось
на 4,5 О/о.
в следующие 14 СУТ контрольноrо периода (период IV) про-
изошли изменения в параметрах дутьевоrо режима и характе-
ристиках сырья. Концентрация кислорода в дутье достиrла
25,1 О/о, а удельцый 'расход природноrо rаза увеличился на
7,27 М 3 /Т чуrуна по сравнению С" опытным периодом. Вывод
Jfg Ч I. ! ,
Jj 8Ч Bq
J а
Vпr,M /Ч
' ; I ч I
5
м'lч
::: 1 g ., I
fЛJ I 1 .. -- B'! I
2875 . ..
8
[g!f{Ч 1 . I
1Ii Л . I
о f 2 3 4 r,ч
133
,руды из шихты и заме.на ero .офЛЮСОJ;Занным аrЛQмератом спо-
собствовали уменьш.е.нию расхода CbIporo известняка на 18,5 Kr/T
QyrYHa. Несмотря ;на ro, расход кокса понизился лишь до
уровня btoporo-третьеrо этапов опытноrо периода. '
Особенностью работы доменной печи Б была практическая
неизменность основных технолоrических па.рамет.ров в опытном
периоде по сравнению с исходным. В опытном периоде, на до-
мен;ной печи Б производительность увеличилась на 2,5 о/о, удель-
ный расход кокса сократился на 4 Kr/T чуrуна.
," 2
- 4
;ti
f."j
б
'
:s 8
''-J
о
tf
400
800 t, ос
\ .
\ \
\ \
\ \
\ \
\ \
\ ,
\ ,
\ ,
10
(l
зоо
700
600
500
Рис. 63. Пульсации температурных полей в шахте доменных печей А (а)
и Б (б):
1 Начало выпуска; 2 конец выпуска. Сплошной линией даны xap"aK
теристики исходноrо периода, пунктирной onblTHoro " .
Таким образом, улучшение технико-экономических показа
телей работы печи с использованием циклических добавок дутья
не вызывает сомнений. Безусловно, что абсолютные значения
v
экономии кокса и повышения производительности печеи нельзя
считать окончательными, они требуют дальнейшей эксперимен
тальной проверки. ОАнако улучшение технико-экономических
U v
пока.З,ателеи плавки не вызывает' сомнении.
Температурные поля доменных печей в различные периоды
исследований представлены на рис. 63. Падение tсреднеинте-
u v
rральнои температуры по ходу выпуска в верхнем зоне тепло-
обмена уменьшал<?сь в опытном периоде на печи NQ 7 с 78
до 32 0 С., "
Наибольшая устойчивость тепловоrо состояния печи наблю-
, ... ' ,
далась на третьем этапе исследовании, в котором одновременно
с повышением расхода природноrо [ааа осуществлялась и кор-
134
J
рекция расхода дутья.. Колебания среднеинтеrральной темпера
туры шахты умеiIьшались на этом этапе втрое по сравнению
с исходными. .
, Тепловое ,состояние шахты печи Б также стабилизировалось
Б опытном ,периоде. Падение среднеинтеrральной температуры
по ходу.;., 'выпуска в верхней зоне теплообмена, по данным за
80 выпусков, уменьшилось в опытном периоде, втрое по cpaBHe
нию с исходным И составило Bcero 21 0 С, при этом повысилось
ее среднее значение.
Стабилизация тепловоrо состояния доменной печи способ 4
ствует, более полному восстановлениlp. шихтовых, материалов
Ш,ахте, [де в основном протекают реакции KocBeHHo.ro восста.
новления.
Причиной столь существенной экономии кокса является, по
всей вероятности, 'Стабилизация во времени тепловоrо состоя
пия печей. Это способствовало подъему их среднеrо уровня
тепловоrо потенциала, более полному 'восстановлению шихты
в верхней зоне теплообмена и, как следствие, снижению степени
прямоrов'Оссtановления и повышению ",: степени " использования
окиси уrлерода. ,, "
Таким образом, корректирующими воздействиями, которыми
служили параметры комбинированноrо ,дутья, удалось' CTa
билизировать тепловое состояние печей и;'.. как следствие,
существенно улучшить технико"экономические покаЗ8тели
плавки. ' " .'!! :!':;' , :.','
. .'1,
Учитывая положительные результаты ОПЫТНВIХ' плавок,
а также трудность ручноrо управления параметрами дутья,
Б дальнейшем в случае применения данноrо метода стабилиза
ции тепловоrо состоя.ния печи необходима разработка си€темы
автоматйческой коррекции параметров комбинированноrо дутья
, ,
"по ходу плавки.
.: i.j; .. I
,3. КРИЗИСНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В РУДНОМ fPE&HE
i'.' r .,
. .\
Современные исследования на специаль о оборудованных пло
щадках, проводимые на новых и реконструированных доменных
печах, l'IоЗ'волили обна ружит.ь во вс-ех подробностях' сложную
картину развития теплообменных и,йоtстановительных процес
сов в объеме шахты доменной печи. liами уже рассмотрены
мноrочисленные картины изотерм, изменения С0 2 , 02 шихты по
u
высоте доменнои печи, т. е. изменениЯ', связанные снепрямым
и прямым восстановлением и т. д. Этими исследованиями обна.
ружена, . что современная доменная печь ха рактеризуется боль
той неравномерностью в распределении rазов, которая 1 О лет
'назад была еще больше. 20 30 лет тому назад считалось, что
оптимальная кривая распределения С0 2 и температуры по ради
усу должна быть в виде прямой и что ведение печи в COOTBeTCT
:вии именно с ней обеспечат максимальную производительность
135
и минимальный расход кокса. Теперь мы должны это pac
ценивать как печальную необходимость. Действительно, MHO
rие попытки не приводили к жел'аемому результату. Удалось
получить хорошие показатели только на серовских доменных
печах, которые в то время работали на древесном уrле.
Таким образом, осознанность Toro, что нужно стремиться
к равномерности, что нужно бороться с неравномерностью, ЯВ
ляется одним из больших достижений в современной теории и
практикедоменноrо процесса.
В этой борьбе мы наталкиваемся на необходимость соблю
дать lКесткие тепдовые условия в районе рудноrо rребня, что
в общем обусловлено кризисными ЯI;Злениями в этом простран
стве. . ,
Как мы это понимаем?' :Как бы ни развивался процесс, ка
ая бы ни наблюдалась неравномерность по отдельным верти
калям (линиям вертикальноrо зондирования), как мы видели
в начале rлавы, при нормальном ходе всеrда наблюдаются S об
разные кривые температур. В рудном rребне большая рудная
наrрузка и мало rаза. Может ли здесь наблюдаться такая Kap
тина, коrда rаза будет недостаточно и шихта, не, проrреваясь,
попадает в ropH? l(онечно, такой картины быть не может, так
как хорошо известно, что по закономерностям rидродинамиче
u u
ских явлении произоидет нижнее зависание, дренаж нарушится
и печь практически остановится. Печь нормально пойдет только
в том случае, если в рУДНОМ rребне будет наблюдаться S образ
ное температурное поле, если в этой области печи будет прохо
дить минимально количество rаза, достаточное для Toro, чтобы
в кривой распределения t мператур наблюдались ,; признаки
S образности. Друrими словами, необходимо, ЧТО,бы теплоем,
кость потока rазов хоть HeMHoro превышала теплоемкость по
тока шихты. Хочет или не хочет этоrо мастер печи, но он
вынужден этоrо добиваться. Что lКe в этом случае будет про
исходить в друrих вертикальных сечениях печи? На периферии
и в центре образуется избыток rазов. Это приведет к. тому,
что не будут использованы все резервы по производительности
,доменной печи (она будет, ниже возможной), а расход кокса
"повысится. И это проявится тем сильнее, чем больше HepaBHO
м'ерность. Чем меньше неравномерность, тем шире возможности
по использованию резервов по производительрости и экономии
кокса.
О всех причинах существующей неравномерности rоворить
сейчас трудно, потому что мы не располаrаем мноrими данными.
Но ясно, что одной ИЗ причин такой большой неравномерности,
приводящей к кризисным явлениям в рудном rребне, конечно,
является неподrотовленная шихта с большим количеством Me
лочи.
На пути выяснения всех этих причин, используя данные
эксперимента на действующих доменных печах M K, мы по
136
u
старались. прежде, Bcero решить основноя вопрос определить
отношения теплоемкостей потоков по радиусу печи. При этом,
естественно, мы стремились ответить и на вопрос, существует,
л;и кризисное тепловое состояние в районе рудноrо rребня, то е.
действительно ли отношение теплоемкостей в этой области при
ближается к единице.
Осуществление такой проблемы было связано прежде Bcero
с разработкой HOBoro прибора для измерения скоростей rазо
Boro f!0ToKa. Потребовалось; отбирая пробы rаза из печи, опре
делить рудную наrрузку на кокс по радиусу, т. е. осуществить
сложную проrрамму исследования.
Вопросы rазораспределения всеrда привлекали внимание ис
u "
следоgателеи и решались практически до наСТОЯЩеrо времени
нализом косвенных характеристик rазораспределения. Хорошо
известны мноrочисленные работы в этом направлении aKaдeMЦ
ков М. А. Павлова, З. И. Некрасова, В. К. rрузинова, профес
соров А. Н. Похвиснева, Б. Н. Жеребииа, Н. К. Леонидова;
Н6 И,. l(расавцева и др.
i{ля текущеrо технолоrическоrо контроля распределения ra
зовых потоков используют косвенные показатели (р_аспределе .
ия состава и температуры rаза ПQ радиусу шахты), которые'
не позволяют дать точную оценку rазораспределения. В связи
с этим на действующих доменных печах были опробованы дpy
u
rие методы контроля скоростеи rаза в слое шихтовых материа
лов, включающие применеI:Iие пнеВМ9метрических трубок,:иссле
дования С. Кипии, описанные в [83], а также работы {З, 46, 111]
и использование радиоактивных изотопов, инертных и друrих
rазов [42, 43, 110, 112 и др.]. Эти исследования позволили pac
ширить предстаВ.1Iения о закономерностях движения rазов и
выявить некоторые особенности радиальноrо rазораспределе
ния. Однако анализ методов измерения' распределения rазов,
<?пробованных в наС':l'оящее время в ПРОМ Iшленных условиях,
показывает, что все они имеют те или иные методические или
конструктивные недостатки, 6rраничивающиё"область их приме
пения. Поэтому вопрос разработки новых методов измере
u '
ния скоростеи rаза в доменных печах, исключающих Heдoc
татки применяемых ранее способов, по-прежнему остается aK
туальным.
В связи с этим была создана принципиально новая промыш
u .
ленная система прямоrо контроля локальных скоростеи rаза,
в основу которой положен метод импульсноrо термоанемометра,
разработанный сотрудниками УПИ ИМ6 С. М. Кирова [52], при-
менявшеrося paHe только в лабораторных условиях. В каче
стве датчика локальной скорости rаза принят шарообразный
спаи термоэлектрическоrо анемометра, что позволяет опера
тивна измерять скорости в широком диапазоне изменения TeM
ператур при высокой запыленности потока и при любом Ha
правлении вектора скорости.
137
v v
воздеиствия на слои шихтовых материалов исследовательским-
З0НДОМ и друrих параметров, определение которых в настоящее
время проблематично. Кроме Toro, необходимо выделение Bep
v U
. тикальнои составляющеи модуля вектора скорости rаза из за..
U
мереннои скорости ra30Boro потока.
Поэтому в первом приближении было принято, что относи
тельное распределение ,расхода rаза по радиусу соответствует
v
эпюре скор ос те и ,потока, приведенных к нормальным условиям,
т. е. с учетом ,давления и температуры rаза в точке и мерения
(рис. 65).
АнаJIИЗ результатов исследований показал отсутствие жест
v '
кои В,заимосвязи ,rазораспределения с изменением ero, COCT Ba
. u
И емпературы: местоположению экстремумов эпюр скоростеи,
как правило, не соответствовали максимальные значения TeM
ператур и минимум СО 2 , И наоборот. Это позволяет сделать BЫ
8РД, что распределения температур и состава rаза по радиусу
v
печи не отражают в полнои мере количественных закономерно
U
стеи rазораспределения.
Этот вывод подтверждается исследованиями Б. с. Фиалкова
и В. Т. Плицина [3]. Характерно, что максимум скоростей rаза,
зафиксированный им.и, rакже находится не на пеРИ,ферии и не
на оси печи, а сосредоточен над фурменными зонами и не
очень далек от района рудноrо rребня. В этой же работе по
; V
казано, что ,между распределением скоростеи rаза, температур
и СО 2 по радиусу однозначной связи нет и подтверждено влия
.
ние раЗБИТИЯ эллипсоидов разрыхления на rазораспределение.
Подобный результат rазораспределения опубликован и в ис
следовании ИЧМ МЧМ СССР [113]. Отсутствие четкой взаи
мосвязи rазораспределения с концентрационными полями rаза
явствует также из данных М. А. Стефановича [46], опублико
ванных еще в 1953 r., и отмечено друrими авторами.
Распределение rазов в печи зависит от распределения по
U
сечению шахты материалов с различнои rазопроницаемостью.
Поэтому интересно сопоставить данные по rазораспределению
v
И распределению руднои Н'lrрузки и rранулометрическоrо coc
тава шихтовых материалов. Источником сведений в этом слу
чае является состав проб материалов, отобранных из печи.
На рис. 66 показано распределение рудной наrрузки и rpa
нулометрическоrо состава проб материала, отобранных из печи
при различном составе проплавляемоrо сырья.
Совместное рассмотрение распределения расходов rаза и
рудных н rрузок позволяет заключить, что местоположению
Рудноrо rребня соответствует минимум значений расхода rаза
только при плавке аrломерата. Характерно, что в этом случае
распределение rранулометрическоrо состава проб материала по
радиусу печи было относительно равномерным. При наличии
u v
в руднои части шихты смеси аrломерата и окатышеи, а также
только окатышей такой жесткой взаимосвязи' не наблюдалось,
14()
j
и в районе Рудноrо rребня проходило примерно среднее коли
чество rаза. Определенным влиянием на изменение закономер
ностей rазораспределения в этих условиях, по видимому, обус
ло.влено весьма неравномерное распределение rранулометриче
cKoro соста,ва.
На следующем ;>тапе исследований в 1976 r. на той же дo
u . .U
меннои печи 'снимали эпюры скоростеи rаза уже на двух иссле
2,0
2,
8"::::;"'ЗО
:::s
10
E:j: б
70
so
1
, IJ 2
03
16
8
сь
::::s
1,6
:,. .
С». ,
:::s
1,2
{l,8
';::S
о,ч
'П
о
1000
2000
JOOO
800
70
400
.....
200 5 .;\
О 1000 2000 JOOO
Рцсстошrие от стеш(/} П8'111, ММ
! .
.. :,1'
Рис. 67. Распределение скорости rаза (СЬ).
температур (6) по радиусу доменноЙ печи
ПОД уровнем засыпи (сплошные линии).
над урс;:шнем засыпи (пунктирные)
10 в
О 1000 2000 JOOO
Расстояние от cтeHJ(l! пеl/{j, ММ
Рис. 66. РаспредеJIение по радиусу rори-
зонта 11 рудной наrрузки (а), крупных
фракций (>10 мм) (6) и мелочи (5 мм)
(8):
1 100% аrломерата; 2 100% окатышей;
3 30% окатышей и 70% аrломерата
JO
. I
довательских rоризонтах:- в слое шихты, на 2 2,5 м ниже
уровня засыпи (11 rоризонт), и над слоем, на O,5 1,O м В Iше
уровня засыпи (1 rоризонт). Печь проплавляла 250/0 окатышей
и 750/0 аrломерата. Поля скоростей, температур представлены
на рис. 67. Характерно, что и в этом случае четкой корреляции
скоростей с температурами не наблюдалось. Эпюры скоростей
rаза имели два максимума на периферии и в зоне, промежу
точной между осью и периферией, расположенной на ,середине
радиуса шахты. Низкие значения скоростей закономерно
141
наблюдались в перцод 'всех этапов исследованиЙ в осевой зоне.
Сопоставление полей скоростей rаза в слое и над ним указыI'
. вает на качественное их совпадение, хотя степень неравномер..
ности rазораспределения в этих пространствах различна
, (рис. 67) 6 ; ;,
Закономерности rазораспределения, полученные как в наших
исследованиях, так и в работах [3, 46, 113], не противоречат
современным представлениям о движении rаза в шахтных печах
[22, 45, 58]. Соrласно этим представлениям, фурменный очаr
является источником двумерноrо потока rаза, при котором рас..
u '
пределение скоростеи rаза в слое зависит не только , от радиуса,
но и от высоты печи. Протяженность двумерноrо потока опреде ,
ляется конкретными rеом,етрическими размерами и может ДО"
стичь 4 5 радиусов и БОJIее. .
Одновременно на rазораспределение влияет и структура
(распределение, порозности по объему) опускающеrося слоя
шихты. В этом случае фурменный очаr становится центром об
разования эллипсоидов разрыхления. в печи [3]. Разрыхление
шихты над фурменным очаrом усиливает двумерность потока
rаза, вследствие чеrо и наблюдается движение основной массы
rаза в промежуточную между осью и периферией зону.
Расчет теплоемкости потоков в различных вертикальных
элементах
Результаты исследования rазораспределения позволили дo
полнительно выявить HeKoTopbie закономерности теплообмен..
ных 'процессов во всем объеме шахты домеНН IХ печей. Изве
стно" что различие в ходе теплообменных процессов между
отдельными вертикальными элементами печи зависит от нерав.
номерности распределения как rаза, так и материала, а также
из за изменений в теплофизических с ойствах цоследних.
,Результаты расчетов отношений т теплоемкостей потоков
шихты и rаза в верхней ступени теплообмена для различных
вертикальных элементов печи приведены на рис. 68. Для сопо.
ставления представлены также радиальные температурные поля
для тех же условий работы доменной печи.
Различие в распределении rазов и рудных материалов при
плавке окатышей и аrломерата обусловило неодинаковую не..
равномерность развития теплообменных процессов в шахте печи.
Наибольшая степень неравномерности хода процессов тепло.
обмена наблюдалась при плавке аrломерата, коrда местополо
жению рудноrо rребня соответствовал малый расход теплоно..
u u
сителя, а отношение теплоемкостеи шихты и rаза в этои зоне
достиrло 0,94. При наличии в рудной части шихты только OKa
тышей теплообменные процессы развивались сравнительно рав"
номерно, на что указывают незначительные колебания величины
т по радиусу печи (рис. 68, в). Проведенные значения т, ха..
142
.J
рактеризующие неравномерность хода процессов теплообмена
u
в шахте печ:и при наличии в шихтеаrломерата и окатышеи, под
тверждаются полями температур. Характерно, что температурыI.
в период всех исследований относительно точно отображают
поля, т, что косвенно подтверждает надежность полученноrо
экспериментаЛhноrо материала о распределении потоков шихты
и rаза по радиусу печи.
10
,
t ul
,
80Ь
700
.. 5
а 500
....... 0,7
1,0 1000 2000 JOOO
t 'О[ " Расстояние от стенки ne'll1 ММ
11 , I
0,9 700
РИс. 68. Изменение отношения
.( теплоемкостей и , темпер'атур
500 rаза по радиусу доменной печи:
а 100% аrломерата; 6 30%
..... окатышей и ,70% аrломерата;
--- 8 100% окатышей; отношение
;. 0.7 ,8 500 теплоемкостей I:Iредставлено
, сплошными JIИНИЯМИ, темпера-
О 1000 2006 .1000 тура пунктирными .
Расстонние от стеНlШ ne'll1,'MJtI
Следует особо отметить, что независимо от характеристик
проплавляемоrо сырья все вертикальные элементы шахты печи
работают при значениях т< 1, а процессы теплообмена, следо
вательно, завершены БО всех кольцевых сечециях и в них наб
людается типичный S, образный характер изменения температур
по высоте печи. Это' подтверждается мноrОЧИСJIенными иссле
дованиями, проведенными на больших доменных речах Криво
рожскоrо, Новолипецкоrо и Маrнитоrорскоrо металлурrических
заводов. '(
. ':; I
4. О ВЫ&ОРЕ ВЫСОТЫ ДОМЕННОА ПЕЧИ
11',
,
. "';.'
, 1:,'
Результаты исследования температурных полей позволяют нам:
продолжить обсуждение вопроса об оптимальной рабочей BЫ
соте доменной печи. При этом отправными будут следующие
моменты.
1. Можно констатировать, что курс на прекращение увели
чения высоты доменных печей, на ее стабилизацию и увели
чение объема печей за счет поперечных размеров наметился
в СССР сразу в послевоенные rоды. В то время, коrда исследо
вания по теплообмену еще только начинались, по немноrим при
знакам в области практики, теплообмена и rазодинамики было
143
принять правильное решение. В области теплообмена этот приз
нак касается положения о S образном температурном поле и
наличии малоактивной области в зоне умеренных темпераТУР6
В дальнейшем влияние теории теплообмена в этом вопросе
существенно усилилось [79, 82, 116].
2. Исследования температурных полей доменных печей объе
мом 2000 и 3200 м З показывают, что признаков недостаточности
высоты этих печей не обнаружено. Более Toro, везде появляется
даже небольшой резерв высоты.
3. Этот резерв можно реализовать; он возникает в связи
с обоrащением дутья кислородом до 290/0 и заключается в по
явлении избытка рабочей высоты. Если учесть, что с нарастаю
щим темпом развиваются работы по совершенствованию Tex
Нолоrии, отсеву мелочи и друrие, приближающие доменщиков
к использованию калиброванной шихтыI' то можно ставить воп
рос о дальнейшем снижении рабочей высоты доменных печей.
Если будет уверенность в надежности постоянной подачи кис
лорода в доменные цеха, то появится уверенность и в. эффек
..
тивности снижения высоты доменных печеи.
Рассмотрим опыт выбора высоты доменных печей в СССР
и друrих стра'нах [182].
На 111 советско японском симпозиуме по физико химическим
основам металлурrических процессов [114] японские ученые OT
мечали, что у.же MHoro лет назад теорию М. А. Павлова {115]
и т орию теплообмена в доменной печи [89] можно было услы
тать на лекциях в японских универёитетах и что они приме
няются на заводах.
Вытекающие из этих теорий рекомендации об оrраничении
u
роста высоты мощных доменных печеи или даже о ее снижении
были в дальнейшем подтверждены з. и. Некрасовым [107],
А. Н. Похвисневым, Н. 1(. Леонидовым, М. А. Стефановичем,
Н. r. Маханеком, Л6 516 Шпарбером, [. r. Орешкиным и MHO
rими друrИМlJ и реализованы в СССР [116].
Анализ развития профиля печей за рубежом показывает, что
Япония и друrие страны действительно осуществляли эти pe
,комендации на своих мощных печах и теперь можно оценить
, '"
практические результаты выполнения указанных реком ндации.
На рис.69 профили . больших доменныIx печей сrруппированы
нам'и по странам и совмещены по плоскости фурм. Это 'сделано
для Toro, чтобы выделить на рисунке так называемую рабочую
высоту от rоризонта фурм до уровня засыпи. Сопоставление
профилей показывает их большое разнообразие в связи с усло
виями работы и характером шихтовых материалов.
l(aK известно, в последние rоды не только в СССР, но и во
мноrих экономически развитых странах за рубежом взят курс
v
на наращивание мощностеи доменноrо производства и, в част
ности, на увеличение объема доменных печей. На начало 1975 r.
в капиталистических странах работало 50 доменных печей объе
1-44
.1
'МОМ 2000 м з И более, в том числе 30 в Японии, пять в Фрr,
четыре в США, две в Италии, три во Франции и две в Нидер
ландах.
Из 30 печей Японии объемом более 2000 м 3 10 имеют объем
свыше 3000 м 3 , а из них семь более 4000 м 3 . По темпам роста
поле9ноrо объема печей .япония. не отстает от СССР. К 1972 r.
средний объем доменных печей в Японии достиr 2070 м 3 [117,
118]. При этом задувка каждой новой крупной печи сопровож
35
30 1 2 J
25
20
15
;:
1::: 13
:х::: 10
5
О
5
10
7 8 10
J /5 !/pofle
/ .70сьт
L.-б
./
/
'IIb .
. i
'u.
9
I
I
.
. .
I
'"
,
"-
...... 1
..........
I
I
I
- I
"-
I ,
l'l
/
Ось' DозtJУШflЫ Х ФIjРМ
Рис. '69. Сопоставление профилей больших доменных печей:
1 печь Х!! 5 полезным объемом 4830 м з в Тибе (Япония); 2 печь Н!! 3 объемом 3016 м з
в Фукуяме (Япония); 3 печь Х!! 1 объемом 3159 м З в Касиме (Япония); 4 печь Е объе
мом 2205 м З в rамильтоне (Канада); 5 печь объемом 2984 мЗ'в 'Честортоне (США); 6
печь «Аманда» объемом 2242 м 3 в Эшленде (США); 7 печь Х!! 1 объемом 4970 М З
в Швельrерне (Ф РП; 8 печь N!! 5 объемом 1969 м 3 , В MapreMe i(АнI'ЛИЯ); 9 печь NQ 4
объемом 4800 м З в Дюкерке (ФраНЦЩI); 10 печь объемом 5000 ;мЗ в Кривом Pore (СССР);
11 типовая печь объемом 3000 м 3 (СССР); '12 типовая печь объемом 1719 м 3 (СССР);
13 доменная печь N!! 5 Фукуяма (Япония) объемом 4617 м з ! ," ,
дается остановкой нескольких морально, устаревших печей Ma
лоrо объема. На этот же путь встали Фрr, Франция, Италия и
друrие страны.
Процесс укрупнения доменных печей за рубежом, как и
в СССР, происходит rлавным образом за счет увеличения попе
речных размеров, причем во мноrих, странах высота печи даже
снижается (рис. 70). В этом ПРОЯБляется первая закоцомерность
в тенденциях ра.звития профиля доменных печей. Действи
тельно, в Японии при увеличении объема печей 2900 до 4800 м 3
ни на один метр не увеличили высоту, а для печей 3200 м з
даже снизили ее на 4 метра.
В Западной Европе при увеличении объема с 4000 до 4800 м з
высота печеЙ была снижена" на 3 м (везде имеется в виду
10 Заказ Х!! 97
145
высота от уровня фурм до нижней кромки большоrо KOHyca)
Причем на печи N 4 в Дюнкерке (Франция) высоту по cpaBHe
нию с советскими печами объемом 5000 м 3 снизили на 3 м. Это
на сеrодняшний день самая низкая из ДOMe HЫX печей боль
шой емкости (больше 4800 м 3 ).
" Снижение высоты, как' правило, приводило к интенсифика
ции процесса. Так, например, доменная печь NQ 1 в Касиме
(Япония), с рабочей высотой 25,2 м при объеме 3154 м 3 через
23 мес после задувки достиrла производительности 240472 т/мес
при удельной производительности 2,46 т/м 3 в сутки, что COOT
ветствует к. и. п. о., равному 0,406. Удельная производительность
доменно,Й печи N 3 в Наrойе (Япония) в октябре 1972 [. в cpeд
;J4
'::;j'"
r:::
26
с;:)
ь:. 18
t;j
::"..
10
О
1;.
"
1000 2000 JOOO 4000
, Полезный обьем печи, м З
5000
Рис. 70. Зависимость рабочей высоты от полезноrо объема доменных
печей:
1 13 номера печей, профили которых изображены на рис. 69; /
СССР; /I Япония; //I Европа; /У США. Заштрихованная об
ласть по данным М. А. Павлова ,
нем составила 2,87 т/м 3 в сутки, а максимальная производитель
ность в отдельные сутки достиrала 3,13 и даже 3,22 т/м 3 [118]
К. и. п. о. был соответственно равен 0,32 и 0,31. Доменная печь
NQ 4 в Дюнкерке (Франция) уже в конце первоrо rода задувки
давала 9,5 ты,с. т в сутки, или примерно 2 т/м 3 В сутки.Хоро
шими производственными показателями характеризуется и дo
менная печь NQ 5 завода «Фукуяма», задутая 8 февраля 1973 r.
В апреле 1974 r. была достиrнута производительность 10550,
в июне 10654, а в aBrycTe 11 063 т в сутки. Расход топлива при
этом составил 460 Kr/T чуrуна [119].
Из рис. 70 видно, насколько жизненными Оказались peKOMeH
дации М. А. Павлова о максимальной высоте, печи. Работа
большинства высокопроизводительных, интенсивно работающих
u
печен, в частности японских, укладывается в рекомендации
М. А. Павлова [115].
Второй закономерностью в развитии рассматриваемых про
филей является заметное увеличение высоты ropHa (до 6,4 м). .
По видимому, это обусловлено желанием максимально меха..'
146
/
визировать обслуживание леток и создать блаrоприятные усло
вня для труда ropHoBbIX.
, ,Третьей, закономерностью является стремление предельно
расширить КО!уОШ'нИК. Чувствуется, что в реализации этоrо стрем-
ления трудной задачей было создание соответствующеrо за
сыпноrо устройства. Так почти во всех профилях конструкторы
доволь-но далеко отошли от оптимальноrо уrла наклона ст-ен
шахтр . I Сейчас мы вступаем в новый этап, связанный с при
менением засыпноrо устро.йства Вюрца на больших доменных
печах.
, ',
, .
, '
" .
,r n а в а v
, ,
ОСО&ЕННО.СТИ,ТЕПЛОВОЙ РА50ТЫ
", - ...-. , I ..:,
домЕнliыx ПЕЧЕЙ
ПРИ ,КОМIИНИРОВАННОМ ДУТЬЕ
1
"
,Инжекцця топлив в. фурмы доменной печи, получившая практи
ческое прцменение с 1957 r. почти одновременно ;,в СССР и за
рубежом, особенно во Франции [120 122], в настояще время
завоевала всеобщее признание как одно из проrрессивных нап
равлений развития доменноrо процесса. В результате инжекции
,природноrо rаза и мазута уже в 1962 r., по данны1'' одноrо из
инициаторов применения комбинированноrо дутья акад. З. И. He
u
красова, на ряде доменных печен удалось сократить расход
кокса на 13 15 о/о и увеличить производительность на 2,5 3,O О/О
[120]. При обоrащении дутья кислородом с одновременной ин-
жекцией топлива производ тельность печи увеличи.nась .на 9,8 О/о,
а расход кокса снизился на 17,1 О/о. При этом экономия дости-
rала 2 руб/т чуrуна {120]. ! "',
В . процессе внедрения инжекции выявлялись все новые и
новые преиму.щества работы печей на комбинированном дутье.
Оказалось, что в некоторых случаях экономится не только кокс,
но достиrается и абсолютная экономия топлива. Кроме Toro,
можно более rибко управлять технолоrией. и прежде Bcero теп
u
JfОВЫМ состоянием доменнои печи.
Мноrие исследователи развивали теорию инжекции, которая
не только обобщала опыт работы доменных печей, но и влияла
. на практику. Разрабатывалась и та часть теории инжекции, KO
торая определяется теплофизическими закономерностями ДOMeH
Horo процеоса (автономность работы. верхней и нижней ступе
ней теплообмена,' завершенность теплообмена). Первыми в этом
направлении появились работы Е. М. Локшина и Ю. С. Бо
рисова {123] и во Франции работы Ж. Мишара [122].
Использование природноrо rаза и кислорода, особенно на
U u
стадии их освоения в доменнои 'плавке, поставило целыи ряд
10* 147
вопросов, которые необходимо было решить, чтобы полнее ис
пользовать в процессе тепловые, восстановительные и rазоди
намические характеристики комбинированноrо дутья. Эти воп
росы определялись сложностью и мноrообразием nроцессов, xa
рактеризующих техн.олоrию выплавки чуrУН8. Как известно,.
rлавными из них являются процессы rорения й фурменных 30:"
нах и последующий теплообмен между rазовым потоком и слоем
шихты, процессы прямоrо и KocBeHHoro восстановления, paccpe
u u
доточенные практически по всеи высоте доменном печи, и про
цессы rидро- и rазодинамики, существенно влияющие на pOB
ность схода шихтовых материалов, а следовательно, и на про
...
изводительность доменнои печи.
Ис-следования работы доменных печей при использовании
природноrо rаза показали, что все лимитирующие дом-енную
, плавку процессы при этом претерпевают существенные измене-
ния. Например, добавка природното ,rаза к дутью понижает
температуру rорения в фурменных зонах, увеличивает выход
ropHoBoro rаза и, следовательно, изменяется '.'iотношение тепло
... u
емкостеи потоков шихты и rаза по всеи высоте печи, т. е. ко-
личественно изменяет схему теплообмена. Обоrащение ropHoBoro
rаза водородом, котор й образуется при конверсии природноrо
rаза, приводит к существенному раЗБ-ИТИЮ' :процессов KocBeHHoro
восстановления водородом и, следовательно,- к снижению CTe
. I
пени прямоrо восстановления, Т. е. к уменьшению затрат' тепла
на восстановление окислов железа. Обоrащение 'ropHoBoro rаза
водородом влечет за собой уменьшение плотности rазовоrо по-
тока и, следовательно, способствует улучшению rазодинамиче
cKoro режима слоя шихтовых материалов.-
С учетом отмеченных особенностей на кафедре металлурrи
ческих печей УПИ были сформулированы пять основных усло
вий, которые необходимо соблюдать при разработке теХНОЛQrии
доменной плавки при использовании комбинированноrо дутья
: '
1) оптимизация температурноrо пол верхней ступени.теп
лообмена с целью быстроrо HarpeBa шйхтрвых материалов до.
850 9000C. При вдувании природноrо rаза и кислорода необхо
димо либо сохранить i B , либо обеспечить более высокое erO
значение, т. е. либо сохранить отношение теплоемкостей пото-
ков W M/W r ' либо обеспечить более выrодное ero значение;
2) обеспечение достаточно BbIcoKoro восстановительноrо по
u
тенциала ropHoBoro rаза с учетом возможных степенеи исполь
зования в качестве восстановителей Н 2 и СО И сокращения рас-
. хода кокса в плавке;
3) стабилизация rазодинамическоrо режима слоя шихто
вых материалов с учетом изменения плотности и скорости rазо
Boro потока, а также особенностей ero радиальноrо распреде
ления; .
4) обеспечение достаточным количеством тепла нижней CTY
148
пени теплообмена (iH==idem или оптимальное), что необходимо
для выплавки кондиционноrо чуrуна;
5) обеспеч ние полной конверсии природноrо rаза в районе
фурменной зоны.
Сформулированные условия применения комбинированноrо
, u
дутья позволяют получить ряд уравнении, по которым можно
определить предельные эквиваленты замеще'ния кокса в ДOMeH
ной п авке и абсолютные значения расходов вдуваемоrо топ
лива и кислорода и экономии кокса.
1. АНАпиэ ОСНОВНЫХ УСЛОВИА,
ПРЕДЕ ЯЮЩИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ДО ЕННОЯ ПЛАВКИ
НА КОМ&ИНИРОВАННОМ ДУТЬЕ '
Опыт показывает, что в действующих печах, как правило, одна
из зон печи (верхняя или НИ1Княя) работает в BЫHYiКдeHHO He
блаrоприятных условиях. При такой исходной позиции для pac
чета вариантов иНJкекции невозмоiКНО раз и навсеrда отразить
в исходных уравнейиях бесчисленное разнообразие начальных
u u
условии по автономным зонам доменнои печи; следовательно,.
невозможно отразить это разнообразие и в полученном решении
уравнений. Поэтому нами применена более наrлядная методика,.
U u
в котором расчеты выполняются для каждоrо из условии ИНiКек
дии . отдельно с учетом требований, пр'едъявляемых aBTOHOM
НЫМИ ступенями теплообмена. В результате сопост.авлеflИЯ ряда.
u'
решении усrанавливают, какое условие является,,' лимитирую
щим. По нему принимают окончательное решение и дают peKO
мендации по технолоrии плавки.
Например, если решается вопрос о количестве кислорода для
обоrащения дутья, то лимитирующим оказывается условие CTa
билизации 'теплообменных процессов в.: верх,ней части печи..
Если нужно решить вопрос о максимальном количестве BДYBae
Moro топлива, то лимитирующими MorYT быть условия стабили
зации тепловоrо режима в нижней части печи и условие KOHBep
. сии топливной добавки в фурменной зоне.
Оптимизация тепловой работы верхней ступени теплообмена
Верхняя ступень теплообмена выполняет в доменной печи CBoe
образную функцию противоточноrо теплообменника, назначение
KOToporo состоит rлавным образом в интенсивном HarpeBe
шихты ,до температур, при которых начинают протекать про
цессы восстановления окислов железа и формироваться ДOMeH
ные шлаки. При использов,ании комбинированноrо дутья про
цессы теплопередачи в верхней ступени теплообмена протекают
интенсивнее, чем при атмосферном дутье. Этому способствует
обоrащение ropHoBoro r за водородом И повышение выхода rаза
на единицу шихты. ,При этом повышаются коэффициенты
149
,теплопередачи от rаза к шихте и уменьшается отношение теп
лоемкости потоков шихты и r,аза6 Это влияние хорошо, оцени..
u
вается по уравнению; определяющему высоту верхнеи ступени
'теплообмена в доменных печах:
Н ===3W ы С м Риас/ а v (1 WM/W r ). (154)
Так, например, принимая, что при вдувании в доменные печи
природноrо rаза з обоrащения дутья кислородом производи
тельность практически не меняется (Р ==const), а .теплофизиче:-
ские свойства шихты остаются постоянными (CM const), и счи
тая, что коэффициент теплопередачи CGv за счет обоrащения rаза
водородом увелцч;иваетсяна 50/0, а 'В,О,q,можное уменьщение OT
ношения теплоемкостей п"отоков ших+ыI и rаза составляет 0,1
(уменьшается с 0,7 до 0,6), получаем H / H == 1,4. Иначе '-rоворя,
в этом случае высота верхней ступени теплообмена уменьшается
в 1,4 раза, или на 29,60/0.
Эта характерная особенность применения комбинированноrо
дутья представляет большой интерес для практики работы дo
менных печей. Появляется резерв по Т'еплообмену в верхней
части столба' шихтовых материалов, что позволяет peKOMeHДO
вать работу, в частности,' с пониженным уровнем: засыпи,
а следовательно, форсировать процес.с применением дутья и' по
высить производительность. Этот резерв был эффективно ис
пользован на доменных печах .НТМк. в 1972 1975 rr. Уровень
засыпи был понижен на 1,5 м, что позволило увеличить про
изводительность на 2,5 3,0'0/o. Аналоrичные, результаты полу
чены и на ММК [96, с 16 20].
Безусловно, что если коэффициент теплопередачи CGv при обо
rащении rаза водородом всеrда растет, то отношение WM/W r
в некоторых случаях может и не изменяться, а иноrда даже
'увеличиваться. Ero величина определяется соотношением коли
..
чество вдуваемоrо топлива экономия кокса, Т6 е. величином
получаемоrо эквивалента замены. Однако даже при. WM/W r ==
==const для paccMoTpeHHoro выше варианта ( av=50/0) COKpa
щение высоты верхней ступени теплообмена составляет 4,8 о/о,
или 0,3 0,4 и O,5 O,6 м для доменных печей объемом COOTBeT
ственно 1513 и 3200 м 3 . . . ,
Таким образом, анализ показывает, что на размеры верхцей
ступени теплообмена влияют преимущественно два параметра:
CGv И WM/W r . Однако преобладающее влияние оказывает OTHO
u
шение теплоемкостеи потоков.
. Принимая исходный режим работы печи за базисный и счи
тая, что процессы теплопередачи в верхней ступени теплооб
v
мена в этом режиме предельно возможные для даннои техноло ,
rии, очевидно, можно рекомендовать и при работе печи на KOM
бинированном дутье сохранение отношения теплоемкостей WM/W r
на уровне исходноrо варианта. Уменьшение этоrо отношения
допустимо, 'так как зона интенсивноrо теплообмена в верхней
150
части печи сократится, а увеличение, наоборот, ухудшит тепло
обмен. В свою очередь работа печи при пониженных значениях
WM/W r неэкономична, так как сопровождается малыми экви
цалентами -замены кокса. Выполненный анализ показывает, что
условие стабилизации теплообмена между шихтой и rазом
е u
В верхнем части печи позволяет определить крит ческии экви
валент замены кокса, при котором схема теплообмена в Bepx '
ней части печи остается, как минимум" на rYPOBHe, базовоrо Ba '
рианта.
, Проследим возможные изменения в верхней ступени тепло
обмена при работе печи a комбинированном дутье. При BДYBa
НИИ через фурмы 'какой 'либо топливной добавки и' ,J;:[ри liекото ,
р:ом сокращении расхода кокса теплоемкость потока шихтовых
, материалов уменьшается на Д W M . Но, как указывалось выше,.
отношение WM/W r должно остаться как минимум постоянным,
следовательн,О, и величина W r должна уменьшаться на Д W r , т. е.
, ,
(WM IlWN)J( 1l W )===const===a, (155),
, , ,
'а поэтому для стабилизации отношения WM/W r должны иметь
II WM==a W r . При определении Д. Wrнеобходимо учитывать из .
Менение степени прямоrо восстановления в услови х работы
печр на комбинированном дутье. Полаrаем,' что степень пря
Moro ,восстановления пропорциональна общему количеству уrле
рода кокса,расходуемоrо .на прямое осстановление железа и
rа,зифицируемоrо на фурмах [СФ/ (СФ + Cd) ==const]. ЭтО' 'предпо
ложение базируется на данных анализа практической работы
доменных печей. Вдувание топлива через фурмы, уменьшение
влажности дутья; применение офлюсованноrо аrло ерата, OKa
u
тышеи все это окращает расход кокса и уменьшает 'степень
прямоrо восстановления. Jja ВОЗМОЖНОСТЬ связи между степенью
прямоrо восстановления и расходом кокса указано в работах
[158, 160, 161]. ',;
. 'Раскрывая соотношение д W м == ад' W1" с ;" учетом изменения
степени прямоrо восстановления и используя стехиометрические
уравнения rорения кокса и инжектируем6rо топлива, получим
ypaBHeH e для определения эквивалента замещения кокса:
1'0" i 1.
: V соСсо + v Н 2 С Н 2 + v N 2 C N 2 + УдС д
С со с ф N 2n ! W r
1,87 В +0,93 С +С о в c N --WCK
к Ф d 2д К 2 М ,
Kr кокса/м 3 (Kr) топлива. (156)
еl===
'Следует отметить, что в числитель уравнения (156) входят
величины, определяемые лишь характеристиками вдуваемоrо
..
топлива и не зависящие от параметров доменнои плавки.
Для удобства обозначим этот комплекс через Тх (т. е. теп
ловая характеристика топлива) и определим еrо'для ряда топ ,
лив.
15\,
.' " Для природноrо rаэа (100% СН 4 ) т х == 1 . 1,48+2. 1,38+ 1,88. 1,44==
==6,85 кДж/(мЗ'ОС); для маэута (W P ==3,O%; Ap==0,2%;Sp",0,6; С Р ==85,О%;
НР==10,5%; Np+OP==0,7%; Q ==40900 кДж/кr) тепловую характеристику
, определим только по основным компонентам С Р и НР, так как влияние
остальных неэначительно ввиду малоrо их содерж ния:
т х ==' .0,85 22,4 . 1,48 + 2 0,105 22,4 . 1,38 +
12 2
,то 85
+ ' i2 22,4.1,88.1.44 === 8,58 кДж/(кr. ОС);
для уrольной пыли (W P ==2,8%; АР==21,6%; SP==O,3%; С Р ==34,3%;
НР==2,4%; Np==O,6%; Ор==12,8%; Q ==11870 кДж/кr):
т х == 0'1;43 22,4 6 1,48 + 2 О, 24 22,4 . 1,38 + 0'13:3 22 , 4, . 1,88 · 1, 44
, .
O, 128 22,4 6 3,76 . 1,44 === 2,30 кДж/(кr . ОС).
32
Определив значение тепловой характеристики, можно пере
считать предельный эквивалент замеrцения кокса при переходе
с одноrо вида вдуваемоrо '
топлива на друrое. YpaB
нение (156) показывает, что
в этом случае эквивалент
замены прямо пропорцио
..
нально вависит от тепловои
характеристики топлива..-
Так, например; при пе
реходе прир,одноrо rаза
на мазут эквивалент aMe
ны кокса увеличится в
8,58 : 6,85== 1,25 раза. 3a
БИСИМОСТЬ эквивалента замены кокса [Kr KOKcafM 3 (Kr) топлива]
от величины Т х показана на РИС6 71.
Опыт работы отечественных. доменных печей и зарубежных
заводов показывает, что эквивалент замены кокса, лимитирую
rций теплообмен в верхней части печи, характеризует техноло
rию доменной плавки при относительно небольших расходах
топливной добавки (30 50 м 3 природноrо rазаfт чуrуна; 20
.за Kr мазута/т чуrуна). Это было весьма характерно для первых
этапов работы доменных печей на комбинированном дутье,
коrда с точки зрения rазодинамики и перераспределения про
цессов ,восстановления изменения про есса проявлялись слабо.
4
;::,
-:::SC:)
E:: 2
:-.:::
"')'"
t\)
qj о
4 8 12
Т:;с, кД Ж /МЗ(/(е) топлиВа
15
. ,
РИс. 71. Зависимость эквивалента замены
кокса от тепловой характеристики топлива,
вдуваемоrо через фурмы
,Оптимизация 80сстаНО8итеЛЬНО20 потенциала 20рНО8ЫХ 2аЗО8
Поскольку основной задачей вдувания топлив через фурмы яв
JIяется экономия дороrостояrцеrо кокса, необходимо иметь
в виду, что при этом возможны существенные изменения BOCCTa
новительноrо потенциала ropHoBoro rаза, определяющие xapaK
, u
тер восстановительных процессов по высоте домен нои печи.
152
и действительно, с кр щая расход кокса в плавке, мы
уменьшаем потецциальный выход восстановителя СО и, Kpo e
Toro, снижаем r d, т. е. снижаем участие и твердоrо уrлерода
в восстановлении окислов. Компенсировать восстановительный
потенциал удйется за счет инжекции уrлеводородов, при KOH
версии которых .образуются СО и Н 2 . На очевидно, чта эта KOM
ценсаЦИЯ,будет достаточной только при определенных эквива
лентах замены кокса.
Необходимо отметить, что для доменных печей бальшой eM
Касти, работающих с атнасительна малым расходом кокса в ис
ходном варианте, это' условие может стать лимитирующим, так
как удельный выход восстановителей в условиях такой плавки
,н'евелик. Исключением в этом отношении MorYT быть варианты
вдувания природнаrа rаза, при конверсии KQTOpOrO образуются
;на каждый объем вдуваемоrо топлива три объема восстанови
тельных rазов. При инжекции через фурмы уrольной пыли, Ma
..
зута, коксовои пыли контроль по восстановительному потен
циалу обязателен, особенно при плавке на атмосферном дутье,
коrда количества вдуваемых топлив невелико, а эквиваленты
'замены кокса ДQ,статочно большие.
Предельный эквивалент замены кокса по условию получения
(, необходимых количеств восстановительных компанен'rРВ может
быть найден по балансовому уравнению, характеризующему
перераспредел ние осстанавливаемоrо железа:
п (FеН2+Fеёо)==Fеч Fем Fеd Fесо Pe 2. '., (157)
J1евая часть уравнения (157) представляет собой коли ество
железа, которае 'может быть восстановлено водородом и .окисью
уrлерода, образующимися при конверсии вдуваемой топливной
дабавки, правая количество железа, восстанавливающеrося
в условиях работы печи в безинжекционный период тем коли
,чеством уrлерода (окиси уrлерода) кокса, каторое экономится
'при инжекции.
, Из материальнаrо баланса процессов восстановления железа
мажна записать развернутое уравнение для .определения экви
валентав замещения кокса. Подставив в уравнение (157) зна
чения Рен 2 , .Реёо, Fed, Ресо и Pe 1 [89], после преобразований
получим
е2==
11,2 н; + св r(Feq Fе d4.6б H) 2.5]
100 100( d + d (SI Mn, Р) + ф
( СК Cd )
(Fеч Рем) C d 100 C d + С ф 4,66
(C d + Cd(SI, Мп. Р) + С ф \7;, ) Х
Х [(Fе ч Рем) C d 4,66 V Н 2 2,5]
C d + Cd(SI, Mn, Р)+ С ф У н2 2,5
.
(158)
153
: ' ;': . :., J .': '. '..
"'} ' '::,')/Ана.tIизируя полученное уравнение, можно отметить, что все
. CJIaraeMbIe ero знаменателя опр.еделяются условиями раБотыI дo .
менной печи в исходном (безинжекционном) периоде. В числи
. ' u
тель этоrо уравнения входят слаrаемые, зависящие от своиств
вдуваемых через фурмы топлив. Кроме Toro, второе слаrаемое
числителя зависит также и от -условий работы печи в исходном
варианте. Рассматривая конкретные условия работы печи, по
,лучи м, что знаменатель уравнения (158) является величиной
..
lIОСТОЯННОИ и выражение
Fе ч Рем C d 4,.66 V Н 2 2,5
'; 1,00 (C d + Cd(SI, M , Р) + С Ф ] ,
(159)
'Входящее во второе слаrаемое числителя, также еличина по
етоянная. Следовательно, эквивалент замены кокса при расчете
, u
вариантов вдувания в печь различных топлив и последующии
выбор оптимальной технолоrии MorYT быть определены весьма
опера тивно.
Стабилизация zазодинамичеСКО20 режима слоя шихтовых
.материалов '
В настоящее время теория доменной плавки еще не ра riолаrает
достаточцо надежным аналитическим материалом для расчета
rазодинамцч скоrо режима столба шихтовых материалов в дo
менной печи, что объясняетс rлавным образо бо ршоЙ pa
U . "
.диальнои неравномерностью rазораспределеНИЯ6
'Поэтому в основу, предлаrаемой методики расчетоl3 MorYT
(быть' положены в ОСНОВНОМ nрактические результаты работы
u
.доменных печеи.
Очевидно, для сохр.анения нормальноrо rазодинамичес оrо
u
режима доменнои печи при вдувании различных топлив через
фурмы необходимо иметь такое количество образующеrося rop
u
HOBoro rаза, при прохождении KOToporo через слои шихтовых Ma
'териалов перепад давления ra a не превышал бы критической
величины (Др==орtimum), коrда начинается подвисание шихты.
В частности, таким параметром может быть критерий rазоди
, .намической устойчивости шихты, пр дложенный ВО,ВНИИМТе
.r 126] 6 , ,
, . Безусловно, при исп льзовании в плавке ко бинированноrо
дутья и при условии постоянноrо значения критерия rазодина
.мической устойчивости абсолютный выход ropHoBoro rаза может
..существенно отличаться от выхода ero при обычном дутье, так
как при инжекции топлив экономится кокс, повышается рудная
наrрузка и утяжеляется столб шихты в печи. з. И. Некрасовым
[120] предложено критической величиной перепада давления
при вдувании топлив через фурмы считать такой перепад дaB
-ления, который бы превышал исходный (характеризующий без
.инжекционный период) на величину, равную утяжелению
'r154
столба шихтовых материалов за счет замены кокса плавки pyд :
ной.' компонентой. Пока .э о ,положение подтверждается прак
u ,
тикои. ,',
, ,Однако по мере увеличения количества вдуваемоrо топлива
и уменьшения удельноrо расхода кокса вследствие нарушения
, u u
структуры коксовои насадки в НИ1Кнеи части печи и ухудшения
дренажа продуктов плавки можно ожидать существенноrо yxyд
ш ния, rазопроницаемости слоя шихты, и зависимость потери
напора ОТ'УТЯ1Келения столба материалов может измениться.
, .', Поэтому принятое выIеe до пущ. ени е ,МО1Кет быть использо м
в.анотолько для расчетов параметров плавки при относительно
неб.олъших расходах вдуваемоrо топлива или для условий pa
боты доменных печей с повышенными расходами кокса в исход
ном реЖИМе.
,,' Важным вопросом при решении вариантов работы Доменной
печи a комбинированном дутье является опредеЛ,ение зав
. . . tJ " . i
симости перепада давления по 'высоте доменнои печи от CKOpO
сти rазовоrо потока. .Из числа исследований, посвященных этому
вопросу, можно отметить работы М. А. Стефановича' [29, 46],
П6Н. rрековз [127], К. М. Буrаева [45]. Из работы [1, 7] . ледует,
что в общем' виде потери напора по высоте столб i:"uiихтовых
, I i
матер'иалов MorYT быть определены по ур'авнению :: .i; '..
:,", .' p := (:е + в) W H , '} '" (160)
или ' '
' Wф1lН{l V CB )2 +
Ар 75 . 2 ' ,
d зк V СВ
wфрН (1 V CB )
d эк V B
'c't.,;
,
(161)
rде А, В ' остоянные величины;
W r скорость rаза;
р плотность rзза;
Н высота столба материалов;
d определяющий размер слоя;
Wф скорость фильтр ации rазов;
1) коэффичие т вязкости rазов;
Vсв объем межкусковых каналов слоя;
u '
d ЗR эквивалентныи диаметр куска материалов.
Анализируя ур'авнение (160), можно отметить, что при pac
чете величины потерь напора доля слаrаемоrо A/Re будет тем
больше, чем меньше величина критерия" Re. В то же время ис
следованиями установлено, что в условиях работы доменных пе
чей с использованием комбинированноrо дутья минимальные
величины критерия Re составляют 700 750. В условиях работы
доменных печей ММК {29] уже при Re 600 режим движения
rазов становится турбулентным по всему сечению печи, а сле
довательно, при расчетах величины p доля слаrаемоrо в ypaB
нении (160), характеризующеrо потери напора при ламинарном
155
" ,
"j ,...,
режиме движения rазовоrо потока, невелика. И действительно,
если оценить влияние этоrо слаrаемоrо на величину 8.р при
Re==750, то оно оказывается равным 8 90/0, а если учесть, что
,среднее по высоте доменной печи значение критерия Re COCTaB
.ляет 5500 6000, то доля первоrо слаrаемоrо в уравнении (160)
снижается до 1,2 1,30/0.
Таким образом, в условиях работы доменных печей на KOM
,бинированном дутье можно для. приближецных расчетов опре
.делять величины потерь напора по высоте столба шихтовых Ma
териалов при постоянном значении коэффициента сопротивле
,ния. Учитывая также, что при использовании комбинированноrо
.ДУ1;'ья качество перераgатываемых шихтовых материалов
,.остается прежним, получим выражение'
6р' (w')2 р'
!J.p === w2p (162)
,
;или расход ro pHOBoro rаза в новых условиях V r . r
V' 1 f !J.p'V r . rP
r. r r р' !J.p . L
Учитывая, что вдувание через фурмы доп'олнительных ТОП
лив приводит К сокращению расхода кокса в плавке, а следова
'-тельно, к увеличению массы столба шихты в печи, можно допу
стить некоторое повышение предельноrо перепада давления ra
.зовоrо потока по высоте печи в варианте с комбинированным
.дутьем по сравнению с плавкой без инжекции. В то же время
u
изменение насыпном массы шихты в печи определяется coдep
..жанием в ней кокса (при ПОСТОЯНН9М составе железорудноrо
сырья), а выход ropHoBoro rаза зависит от содержания в дутье
'топливной добавки, что и позволяет определить оптимальное
. ..
.,соотношение. между этими важнеишими параметрами, при KO
..
"тором перепад давления в печи не превзоидет допустимоrо зна
'чения. Это соотношение и составит предельное значение коэф
.фициента замены кокса ез по условию rазодинамическоrо pe
,жима.
Эквивалент замены кокса ез, определяемый с учетом изме
:нения выхода ropHoBoro rаза и плотности r8зовоrо потока (за
8. . U
.счет обоrащения ero водородом), характеризует и такой важнеи
u u
шии показатель доменном плавки, как производительность печи.
Поэтому удобнее анализ работы печи на комбинированном
.дутье по rазодинамическому условию вести непосредственно по
JЗыходу чуrуна в плавке, для чеrо может быть использована
приближенная формул а'
V а' ,
р' ===р v l.jp, V .
V M амр V r
АН,ализ результатов расчета эквивалента замены кокса ез
-выполняют следующим образом. Если при наименьшем из двух
( 163)
(164)
156
ранее рассчитанных эквивалентов замены 'Кокса el и е2 выпол
няется условие Р'>Р, то, следовательно, рассматриваемое yc
JIовие (rазодинамическое) не будет, лимитировать экономию
кокса и количество дуваемоrо топлива. Если это условие не
выпол яется, то необходимы меры по улучшению rрануломеt
рическоrо состава шихты и повышению прочности перерабаты"
ваемых материалов.
',Т еnЛО8ые процессы в нижней части печи
Особенность применения комбинированноrо ,дутья очень резко
проявляется в пределах нищн'ей части печи. Мноrочисл.енными
исследованиями [1'20] показано, что вдувание дополнительных
топлив в фурменные зоны влечет за собой изменения темпера
туры rорения на' фурмах и количества ropHoBbIX rазов, пере
, и,
распределение процессов восстановления по высоте нижIlеи CTY
пени теплообмена, .активное участие водорода в восстановитель
ных процессах, снижение степени прямоrо восстановления и
т. д. Учитывая, что инжекция топлив 'через фурмы как caMO
стоятельно, так и за счет сопутствующеrо ей повышения TeM
ператур дутья, уменьшения ero влажности и обоrащения
кислородом позволяет значительно сократить расход кокса, BЫ
полняющеrо функцию источника тепла, необходимоrо для
формирования кондиционноrо чуrуна. Весьма важным при ин
екции становится контроль тепловоrо режима фурмен'ных зон
и тепловой работы нижней части печи в целом.
В принципе можно сформулировать условие стабилизации
тепловой работы fIижней части печи, так же, как и верхней,
отношением WM/Wr==const, но практически удобнее это сделать'
в несколько иной форме, а именно: определить изменение Q,
которое происходит при замене части кокса (дК Kr/T чуrуна)
вдуваемым rазом (F м 3 /т чуrуна), при, использовании имею
щеrося в Доинжекционном периоде избытка тепла L\Q,o, измене
нии степени прямоrо восстановления 8.rd и т. .д.
В частности, в варианте' Q == const' или 8.Q == О можно
определить, насколько необходимо поднять температуру дутья,
уменьшить ero влажность или обоrатить кислородом. :Кроме
Toro, может быть решена и обратная задача. Анализируя теп ,
ловой баланс нижней ступени теплообмена при ИНжекции и co
поставляя ero с тепловым балансом исходноrо периода работы
доменной печи, при котором обеспечив.алась выплавка коgди
ционноrо чуrуна, ,можно определить экономию кокса и коли
чество вдуваемоrо топлива, которое может принять печь без
нарушения ее работы.
Исследования nоказывают, например, что при вдувании
в [орн доменной печи природноrо rаза необходимо либо иметь
и и '
значительныи резерв тепла в нижнеи части печи для компен
сации тепловых затрат на конверсию уrлеводородом, либо
157
I
ВВОДИТЬ это дополнительное тепло, повышая температуру'"
дутья и уменьшая содержание влаrи в нем, а также подоrре..;!':
вая инжектируемый rаз {71]6
Несколько лучше обстоит дело при инжекции уrольной и
.. ..
коксовои пыли, а также мазута, так как на разрыв связен уrле
водородов, входящих в их состав; требуется значительно меньше
тепла и, следовательно, резервы тепла, обеспечивающие сохра
нение тепловоrо состояния на уровне исходноrо варианта, MorYT
быть меньшими. Это хорошо видно из рис. 72 [89]. '
. Определив по ранее сформулированным условиям величину
ЭКВl.fвал::е та замены кокса инжектируемым ТОПЛИВQМ, при KO '
торрм: верхняя ступень теплообмена обеспечивается . достаточ
ным количеством тепла, вноси ,
мым rорновыми rазами, а BOC
v
становительныи потенциал и ra
v
зодинамическии . режим Haxo
дятся, как минимум, 'на уровне
I исходноrо варианта, можно, при
нимая заранее количество освобо
ждаемоrо кокса и учиты'вая изме
нение ,д [89, 124, 125], ,опреде
лить степень переrрева или
похолодания ropHa печи при раз
личных, ,температурах дутья, co
.держаниях влаrи в нем И при
Рис. 72. Связь теплот разложения уrле- различных температурах и-Нжек
водородов с величиной отношения тируемых добавок. "
в них С/Н · Для этой . цели необходимо
составить и проаналйзировать
тепловой баланс нижнеЙ части доменной 'печи для исходноrо
варианта6 Следует отметить, что удобнее Bcero отделить ниж
.... u
нюю часть печи от всеи остальноя по rранице нижнеи ступени
теплообмена, т. е. зону замедленноrо теплообмена и верхнюю
, ступень теплообмена надо рассматривать отдельно.
: " Так как эквивалент замещения кокса определен ранее, то
MeHHO анализ тепловой работы нижней части печи позйоляет
u
наити максимальное количество вдуваемоrо топлива и макси
мальную экономию кокса. ,
"Так как верхняя rраница рассматриваемой части печи co
B aдaeT с началом зоны замедленноrо теплообмена, то этим
сразу определяются основные температурные параметры rазо
Boro потока, покидающеrо нижнюю ступень, и температура по
ступающих в нее материалов. Обычно при выплавке передель
Horo чуrуна эта температура колеблется в пределах 850 9000C.
Безусловно, при составлении тепловоrо баланса, характеризую
щеrо работу нижней части печи в условиях замещения части
Кокса инжектируемыми добавками, невозможно точно учесть
изменение всех параметров доменной плавки. Поэтому допус
.
5
.., ,
'
'
::::s
J
c:::s
1
, 2
158
· 8
4' б
С/Н 6, ljtле80tlоJ;ооа.х
каем, что: а) температура rазов, покидающих нижнюю ступень
теплообмена, "постоянна и равна температуре rазов исходноrо
варианта (безин)Кекционная плавка); б) степень использования
водорода в качестве восстановителя составляет 40 О/о и остается
одинаковой во всех вариантах расчетов (правомерность TaKoro
допущения подтверждеН,а рядом исследов.ателей [128]); в) изме
нение степени прямоrо восстановления при инжекции топлива
в фурмы учитывается по условию, что при постоянном составе
и качестве аrломерата rd является функцией расхода кокса
[125]; [) состав чуrуна и шлака постоянен и не зависит от коли
чества Ц вида инжек.тируемых топливных добавок; д) относи
тельные потери теПJIа' через кладку постоянны и равны поте
рям тепла в безын екционный период.
С целью определения максимальных количеств инжектируе
мых добавок и освобождаемоrо кокса предлаrается ,(с учетом
отмеченных допущений) использовать развернутое уравнение
изменяющихся статей тепловоrо баланса, которое позволяет
, u
установить теплотехнические возможности нижнеи ступени теп-
лообмена .пр'и инжекции топлива различных видов.
, В случае инжекции природноrо таза (для упрощения расче
тов принимаем, что он состоит только из метана) это уравнение
имеет следующий вид [89]:
, ,
: AQ ==8500п 28 700 K ,С Ф . Ы(. 100 . 22,4 . C;t;+
,,' ' , к С ф + C d В(( . 42 1, ,,;:'
1 00 " " q f/ f1r d r
+п 42, · 22,4 дtд+ nCcHicH, + rd' qd+
"
+ · 1 · 22.4(C:t; C t )+(Q;o Q;o)+
'. .
" ,);'
! ' ( ' " ) 57700 .' ,
+ aH20 aH20 18 +ДQwлсwл(tШJI tо)
(C + C ) (C + C ) о,4( V 2 'V 2)
. " к CKtO 22 4 · 5700+
': С ф + C d " '
+' LlQo ккал/т чуrуна. . (165)
Из полученноrо уравнения следует, что при инжекции топ
лива в доменную печь необходимо использовать тепловые pe
зервы, имеющиеся в распоряжении т хнолоrов ц xa: повышение
температуры дутья, уменьшение ero влажности, подоrрев ин
жектируемоrо rаза. Этими факторами и определяется величина
экономии кокса и количество инжектируемой добавки, которое
доменная печь может принять. .
Решение развернутоrо уравнения изменяющихся статей теп
ловоrо баланса нижней ступени теплообмена для условий заме
щения части кокса инжектируемыми через фурмы топливными
159
добавками может быть получено при наличии тепловоrо ба
ланса данной ступени теплообмена для и-сходноrо, варианта"
'составляемоrо на осн<;>ве материальноrо бала.нса доменной
плавки.
". .
,Конверсия уелеводородО8 вдуваемых топлив в фурмах
и фурменнbt зонах и эффективность инжекции
Почти 20 летний опыт "ра"боты ДО,менных печей с инжекцией топ
лив в ,фур,менные зоны непрерывно сопровождается поиском
довы1x конс'.{ру тивных решений для осуществления ввода дo
полнит льноrо топлива в фурмы доменных печей. И действи
тельно, полная. конверсия топлив в' самих фурмах и фурменных
зонах является I?eCbMa ваЖНЬJМ; ф ктором. ..,
Основной задачей качественноrо использования инжектируе
мых добавок, особенн при повышенных ero расходах, стано...
вится интенсивное перемешивание топ!(ива с воздухом, посту
лающим через фурмы, быстрый ero HarpeB термическое разло
'жение и сrорание продуктов ковверсии с t " последующим
образованием восстановительных rазов в фурменных зонах.
Между тем исследования ,[71] показывают, что И,менно пол ой
, u
конв рсии инжектируемых топлив в доменнои печи ,получить не
удается. При известных способах ввода топлива [45, 129] проис
ходит расслаивание потоков воздуха и топлива в' фурмах, по
ступлен.ие в фурменные зоны неп'одrотовленных топливно воз
душных смесей и, как следствие этоrо, слабая конверсия
уrлеводородов и плохо использование вдуваемых peareHToB
в качестве восстановителей. Особенно важным становится воп
рос наилучшеrо использования комбинированноrо дутья приме
нительно к доменным печам большоrо объема." Отличительная
особенность таких печей состоит в том, что существенно возрас
тает топливная наrрузка на отдельные фурмы,. так как большие
печи, как правило, работают на повыIенныы'' расходах природ
Horo rаза, определяемых высоким содержанием кислорода (ДО
30% и более) в дутье. При этом воздушные фурмы доменных
печей выполняют функции своеобразных топливосжиrающих
устройств, и условия работы их резко ухудшаются.
, Учитывая, что именно блаrодаря строительству НОВЫХ дo
менных печей большоrо объема и совершенствованию техноло
rии плавки за счет.. использования комбиниро анноrо дутья
высоких пара метров (природный rаз, кислород) н,амечено в бу.
дущем.. увеличить производство чуrуна, необходимо совершенст
вов анне схем подачи rазовых компонентов в доменную пе ь.
Мноrочисленные исследования, проведенные на современных
доменных печах, показывают, что существующие способы под
вода природноrо rаза, в частности ПОДВОД rаза через трубку,
проходящую через полость фурмы и оканчивающуюся вблизи
ее стенки, не обеспечивают достаточноrо смешения ,ero С,дутьем
160
[45]6' Вследствие этоrо неразложнвшийся и несrоревший в фурме
rаз попадает в фурменный очаr :И, не успевая прореаrировать
с кислородом дутья, разлаrается с выделением сажистоrо уrле
рода, что резко снижает эффективность использования уrле
водородных добавок.
В настоящее время разработаны и испытаны мноrочислен
ные способы ввода топливных добавок в фурмы. Основные из
них следующие: ПОДВОД топлива через фланец фурмы [129] и He
посредственно через тело фурмы [130] патрубками сверху и
снизу, танrенциальный подвод топлива в фурму [129], примене-
нне ра?личных перифериЙных турбулизаторов [131]. При ис
пользовании дополнительных топлив видоизменяются и сами
(J
Q
,'1
'
I )}.
t:;)
с....., .
-s. '"'"""' ......
ЗОО 400 -s.
V
500 а
.
о
РИс. 73. Схемы подвода природноrо rаза по оси фурмы навстречу потоку дутья:
a, схема ИМ УНЦ АН СССР НТМК [71]; б схема УПИ
;
фурмы. Предложены, например, фурмы, ПОЗВ,оляющие разде-
лить потоки дутья, и топлива (двухканальные) . Разработаны
фурменные приборы со специальными направляющими лопат-
ками, закрепленными на 'внутренней стенке стакана фурмы
J:I т. д. В последнее время для инжекции топлив наt;lали широко
применять сопла Лаваля, позволяющие 'резко повысить кинети-
ческую энерrию потока топлива и улучшить перемешивание ero
с rорячим воздухом 6
Интересное решение предложено в этом плане работниками
НТМК и Института металлурrии УНЦ АН СССР. На доменных
печах НТМК опробована конструкция фурмы, в которую подвод
природноrо rаза осущеtтвляется сверху [71], но в отличие от
предыдущих схем подвода природноrо rаза в данном способе
природный rаз подается по оси фурмы навстречу потоку rоря
чеrо дутья через .изоrнутый патруБQК (см. рис. 73, а) .
При таком ,способе подачи восстановительноrо rаза в ДOMeH
ную печь достиrается хорошее смешение ero с воздухом, что
..
В,свою очередь позволяет полнее использовать природныи rаз
в качестве восстановителя. Стойкость патрубка, ПОДБодящеrо
таз, была вполне удовлетворительна вследствие охлаждения ero
самим природным rазом и блаrодаря использованию окалино
стойких и жаропрочных материалов для изrотовления патрубка.
11 Заказ N2 97
161
Однако в периоды взятия печи на снорт при 'резком повышении
теплоотдачи из фурменной зоны и при отключении природноrо
rаза патрубки выходили из строя. Однако, несмотря на это, Ta
кие фурмы позволили получить экономический эффект. Преиму
щество их определялось тем, что встречная подача природноrо
rаза значительно улучшала перемешивание ero с rорячим воз
духом и rорение природноrо rаза интенсивно протекало уже
в самой фурме доменных печей; при этом в фурменные зоны
поступала весьма хорошо подrотовленная rазовая смесь.
Таким образом, несмотря на большой опыт работы ДOMeH
ных печей с инжекцией' через фурмы топливных добавок, воп
u
po О рациональном схеме ПОДвода дополнительноrо топлива
полностью не решен, хотя актуальность ero весьма очеВИДна.
Техническим проrрессом определяетс в технолоrии домен-
ной плавки применение больших количеств кислорода в дутье,
высокие температуры erp и повышенные расходы инжектируе-
мых, топлив. В этом отношении интересен следующий пример.
I(рупнейшая доменная печь в СССР на Криворожском метал-
лурrическом заводе имеет следующие проектные наrрузки на
одну фурму: расход дутья составляет 215 м 3 /мин, с этим дутьем
вносится 14,4 м 3 /мин дополнительноrо кислорода, а Bcero pac
ХОД кислорода составляет 58,1 м 3 /мин. Через фурму поступает
23,00 м 3 /мин природноrо rаза. При ЭТИХ условиях из расчета
только на природный rаз (1;== 1,26. Весьма напряженно рабо
тают фурмы и на отечественньiх типовых доменных печах. Так"
на ММК наrрузки характеризуются следующими цифрами:
расход дутья на фурму составляет 150 м 3 /мин, расход природ
Horo rаза 11 м 3 jмин, расход дополнительноrо кислорода
7 м 3 /мин, температура' дутья 1080 0 С. Общий расход кислорода
через фурму 37,2 м 3 /мин, ,а коэффициент расхода воздуха, от-
несенный только' к природному rазу, равен 37,2: 22,0== 1,69.
Учитывая, что смешение инжектируемых топлив с воздухом,
rорение и. конверсия уrлеводородов в фурмах и фурменных зо
нах по прежнему остаются актуальными проблемами, необхо-
v .
димо оценить ВОЗМОЖНОСТИ и перспективы дальнеишеrо усовер-
шенствования узлов подачи дополнительных топлив в фурмы
доменных печей. Нам представляется перспективным использо
вание сопел Лаваля, давно и хорошо зарекомендовавших себя
в ряде металлурrических arperaToB.
Применительно к ус.ry:овиям доменной плавки это решение
можно осуществить в следующем виде. Поскольку интенсифи-
цировать процессы rорения топлива можно только при качест
венном смешении ero с воздухом, необходимо, как и в KOHCT
рукции HTMK YHЦ, обеспечить встречное направление дви
жения топлива и воздуха. Но при этом следует учесть, что
ПОДВОДЯЩИЙ патрубок не должен выходить за пределы водо-
охлаждаемой рубашки фурмы. Это позволит существенно по
БЫСИТЬ стойкость патрубка.
162
Скорость истечения топлива через патрубок должна быть
достаточно большой. Это нужно для TOrO, чтобы исключить
течение топливноrо потока по внутренней поверхности фурмы
и смывание ero в фурменную зону. Применение сопла Лаваля
позволяет решить эту задачу. Для этой цели ero необходимо
устанавливать (вваривать) в тело фурмы таким образом, чтобы
оно . находилось в водоохлаждаемой рубашке фурмы заподлицо
с ее в утренней поверхностью. Сопло должно быть направлено
навстречу потоку воздушноrо дутья. Уrол наклона СОIIла к оси
фурмы, как показывают расчеты, должен составлять 28 320.
При давлениях природноrо rаза O,6 0,7 МН/м2 (а именно Ta
u о
кои уровень давлении принят в коллекторах природноrо rаЗ8
в доменных цехах) скорости ero истечения составляют 450
500 м 3 /с. При таких скоростях истечения струя природноrо
rаза форсированно внедряется в поток rорячеrо воздуха и ин
теНСИВНО,перемешивается с ним. Поскольку температура дутья
на современных доменных печах находится на уровне 1150
1200°С, то в результате этоrо уже в пределах фурмы rазо воз
душная смесь имеет температуру, более чем достаточную для
rорения. Так, применительно к доменным печам ММК, при
температуре дутья' 1100 0 С .смесь' получается с температурой
980 0 С, а температура вспышки природноrо rаза составляет
M C. '
При рассмотренной схеме подачи топливной добавки (а она,
очевидно, будет' целесообразна и при вдувании в пеЧь'мазута)
инжектируемое топливо cropaeT уже в пределах самой фурмы.
При этом увеличивается объем rазовой смеси за счет образо
вания продуктов сrорания 1 и, что, конечно, более важно, резко
повышается температура смеси воздуха и продуктов сrорания
топлива. Это вызывает повышение давления rазовой смеси
в фурме и скоростей истечения rазов в фурменную зону, т. е.
существенный рост кинетической энерrии потока rазов. В свою
fi' . ..
очередь. увеличение кинетическои энерrии потока rазов воздеи
ствует на размеры фурменной зоны и -улучшает распределение
u
rазов восстановителеи по радиусу печй.
Расчеты показывают, что даже коrда в пределах фурм cro
рит только лишь 1 О О/о вдуваемоrо 'топлива, скорости истечения
смеси rазов из фурмы возрастают на 15 О/о, а' кинетическая энер
rия увеличивается на 300/0. Схема подачи природноrо rаза
через сопла Лаваля показана на рис. 73, б.
Таким образом, рассмотренная схема подачи инжектируемых
топлив в фур'мы доменных печей представляется весьма перс
u u
пективнои, позволяющеи ожидать существенноrо улучшения
подrотовки и конверсии йнжектируемых топлив и повышения
степени использов ния дополнительных топлив в орrанизации
доменноrо процесса.
1 1 м з природиоrо rаза дает 3 м 3 продуктов сrорания.
II*
163
2. ИСПОЛЬ30ВАНИЕТЕОРИИ
КОМ ИНИРОВАнноrо ДУТЬЯ
ДЛЯ ОЦЕНКИ РА&ОТЫ ДОМЕННЫХ ПЕЧЕА
Сформулированные пять условий применения комбинированноrо
...
дутья позволяют получить ряд уравнении, по которым можно
определять предельные эквиваленты замещения кокса в ДOMeH
ной плавке и абсолютные значения расходов инжектируемых
топлив и экономии кокса. При этом оказалось что закономер
.
ности протекания тепло и массообмена в доменных печах
имеют преобладающий характер, а существующий математиче
ский аппарат может быть широко использован для расчеТОВ6
Оценка возможностей комбинированноrо дутья выполняется
u
в следующеи последовательности.
\
ОnределеНfl,е оптимальных эквивалентов замены кокса
При вдувании топлив через фурмы изменяется количество обра
зующеrося у фурм ropHoBoro rаза. Изменяется также и ero co
став. Сокращение расхода кокса, получаемое при этом, как из
вестно, приводит к изменению массы Столба шихтовых материа
лов, перерабатываемых в печи. Следовательно, при замене
части кокса вдуваемыми через фурмы топливами изменяется
отношение водяных эквивал нтов (теплоемкостей) потоков
u u
шихты и rаза по всеи высоте доменнои печи, что ведет к KO
личественному изменению условий протекания теплообменных
процессов как в нижней, так и в верхней ступенях теплообмена.
Это изменение определяется соотношением между количест
вами дутья и вдуваемоrо топлива и количеством' снятоrо из
плавки кокса, т. е. зависит от эквивалента замены кокса.
Вдувание уrлеводородных топлив через фурмы ведет к обо
rащению rOpHoBQro rаза водородом. Известно, что в условиях
доменной печи водород является более активным восстанови
телем, чем окись уrлерода. Степень использования водорода
в качестве восстановителя может достиrать 45 500/0, в то
время как для окиси уrлерода это величина составляет обычно
35 400/06 Следовательно, при вдувании топлив через фурмы
существенно интенсифицируются процессы KocBeHHoro BOCCTa
новления водородом. Восстановление водородом сосредоточено
rлаВIfЫМ образом в пределах нижней части печи и приводит
к снижению степени прямоrо восстановления.
Уменьшение концентрации уrлерода кокса в слое шихтовых
материалов также способствует снижению степени прямоrо вос" '
становления, а следовательно, и выиrрышу по теплу. Но необ.,.
u
ходимо отметить, что количест о rазов восстановителеи в ДOMeH
ной печи при использовании вдуваемых через фурмы топлив
определяется количеством как вдуваемых топливных добаВОI\,
так и уrлерода kokca,r"-расходуеМОf9 в плавке. Общий баланс
164
восстановителей с учетом их восстановительной способности MO
жет быть различным по отношению к исходному варианту,
и 3,нак ero также может быть различным и зависит от величины
эквивалента замещения.
Пр.и вдувании топлив через фурмы существенно изменяется
rазодинамиче,СКИЙ режим работы доменной печи. Определяю
U '
щеи в этом отношении частью печи является зона, cocpeДOTO
ченная в' пределах нижней ступени теплообмена, rде появ
ляются жидкие фазы и вследствие этоrо уменьшается rазопро
ницаемость слоя. rазодинамический режим влияет, rлавным об
разом, на про изводит ельн ость печи.
, Предельно допустимый перепад давления rазапо ,высоте
слоя зависит от массы столба шихтовых материалов и количе
ства rазов, проходящих через Hero. Масса столба шихтовых Ma
териалов в свою очередь определяется соотношением руды и
кокса в нем, 'а .объем ropHoBoro rаза количеством вдуваемоrо
через фурмы 'топлива и количеством сжиrаемоrо на фурмах
кокса. Следовательно, и rазодинамический режим работы дo
меннои печи ,может быть оценен по величине эквива ента за
мещения кокса, которыIй определяет массу столба, шихтовых
материалов и объем образующеrося в фурменном очаrе rаза.
Одновременно с изменением условий протекания теплооб
менных, восстановительных и rазодинамических цроцессов, KO
торые, как отмечалось, определяют величину эквивалента заме
щения кокса, вдувание топлив через фурмы существенно изме
няет тепловой баланс ни.жней части доменной печи. В НОВЫХ
условиях, рассматривая тепловую работу ropHa, можно OTMe
тить следующее:
а) сокращается количество приходящеrо к фурмам кокса,
имеющеrо темпе.р.атуру 1450 1550°C; ,
б) в фурменную зону вводится определенное количество xo
лодноrо rазообразноrо, жидкоrо или твердоrо топлива;
в) в Qбъеме фурменноrо очаrа происходит разложение
уrлеводородов вдуваемоrо топлива, сопровождаемое, как пра
вило" поrлощением тепла;
r) изменяется количество физическоrо. тепла, вносимоrо
в печь .воздушным дутьем, так как изменяется ero расход;
д) интенсифицируются процессы непрямоrо восстановления
вследствие обоrащения ropHoBoro rаза водородом, что вызывает
уменьшение количества тепла, необходимоrо для восстановле
ния окислов. ,
При замене кокса всеми видами топлива температура rope
ния в объеме фурменноrо очаrа вследствие указанных причин
снижается, что мож т вызвать похолодание ropHa.. Поэтому
обычно вдувание топли.в через фурмы сопровождается повыше
нием температуры и снижением влажности дутья. Снижение
УРОВНЯ температуры на фурмах зависит от количеств BДYBae
Moro топлива и кокса, сжиrаемоrо у фурм. Резервы повышения
165
температуры и снижения влажности определяются конкретными
условиями работы той йли иной доменной печи. Эти резервы и
определяют возможные пределы компенсации. снижения тем :
пературы rорения, а следовательно, и абсолютные количества
вдуваемоrо топлива и экономию кокса при известном эквива
ленте замещения KOKca t определившеrося условиями протекания
теплообменных, восстановительных и rазодинамических про...
цессов.
При выборе лимитирующеrо эквивалента замены кокса He
обходимо иметь в виду следующие соображения. По абсолют
ным значениям предельные эквиваленты замены, рассчитанные
по рассмотренным условиям, MorYT существенно различаться и,
кроме ,Toro, каждый из них может быть больше или меньше
остальных. Возможны следующие 'соотношения между предель.l
ными эквивалентами замены (рис. 74), которые, естественно,
и определяют темп нарастания экономии кокса пр.и увеличении
количества вдуваемоrо топлива и изменение производитель
ност.й.
Анализ расчетных уравнений, по которым определяются пре
дельные значения эквивалентов замены кокса, показывает, что
для Toro t чтобы были выполнены условия стабилизации темпе
ратурных полей в шахте доменной печи, фактический экви
валент замены кокса еф должен быть по абсолютной величине
равен расчетному el или мецьше ero. Аналоrичным является
соотношение между фактическим эквивалентом замены кокса
и эквивалентом замены, позволяющим стабилизировать BOCCTa
новительныи потенциал ropHoBoro rаза е2. И t наоБОРОТ t чтобы
v
сохранить rазодинамическии режим слоя шихты на уровне ис
ходноrо варианта или улучшить ero, фактический эквивалент
замены кокса должен превышать или, в крайнем случае, быть
равным' расчетному (ез).
Взаимосвязь этих отмеченных парамеТРОВ t безусловно, очень
сложна. Она определяется особенностями работы доменной печи
в исходном режиме, характеристиками шихты, особенностями
технолоrии плавки и т. д. Вследствие этоrо указанные факторы
на разных печах проявляются по разному и эффективность от
..
вдувания дополнительных топлив также получается различнои.
Рассмотрим основные соотношения между лимитирующими
v ..
условиями, определяющими важнеишие параметры доменнои
плавки на комбинированном дутье экономию кокса и произ
водительность доменной печи. Для этой цели используем рис. 74.
Шесть cxe , представленных на этом рисунке, объединим в три
rруппы.
Первая' ёруппа (рис. 74, а, б) характеризуется тем, что
еl>е2>ез и е2>еl>ез. В обоих этих случаях для выполнения
всех трех лимитирующих условий достаточно, чтобы печь рабо
тала или при эквиваленте замены е2 (рис. 74, а), или при экви
валенте, замены el (рис. 74, б). При этом будут стабилизиро
166
ваны температурные поля в шахте, что 'обеспечит быстрый Ha
rpeB шихтовых материалов- до температур интенсивноrо BOCCTa
новления шихты, rорновой rаз будет содержать достаточное ко..;
u u
личество восстановителеи, а rазодинамическии режим позволит
ПО
e z
./
I //П
I ,
e
./ ....... ........ 1"'"'"" п 'J
----- р.
=..d:..:
I b 9.//" I
"/ I
. I
I
I
/
,;1' е 1
а
е 2
tJl(,п
/"
/"
/" Пlp
е.1
{"
r
('
еф
r/l
r
е, к, п
е 2
.. е 1
Л О
....... .........
r'
r"
r
.. r
е, IJK, п
"..,/
Л q .
{" ['"
r ,r
r
{'
r
Рис. 74. Зависимость расчетных р и фактических Ф эквивалентов замены кокса е, эко.
номии кокса АК и производительности П ОТ количества вдуваемоrо ТОПлива r при
различных режимах плавки
форсировать плавку расходом дутья и повысить производитель..
ность. В зависимости от Toro, имеется ли в исходном варианте
плавки рез'ер8, СО0тветственно по восстановительному потенциалу
(рис. 74, а) или по схеме теплообмена в шахте печи (рис. 74, б)
будет изменяться в зависимости от количества вдуваемоrо топ
лива и фактический эквивалент замены KQKca и соответствую
щая ему абсолютная величины экономии кокса. П.ри расходах
167
природноrо rаза FП в обоих этих вариантах исходные резервы
будут полностью исчерпаны и последую,щая экономия кокса
определится эквивалентами замены кокса е2 и el соответственно.
Предельные расходы вдуваемоrо топлива в этих режимах опре
u
деляются возможностями тепловои компенсации затрат тепла
на конверсию уrлеводородов топливных добавок повышением
температуры дутья и уменьшением ero влажности. Важным
фактором будет и условие полной конверсии уrлеводородов
в фурме и фурменных зонах, т. е. способ инж'екции топлив.
Так как в обоих этих вариантах эквивадент замены кокса ез
меньше, чем эквиваленты е} и е2, при увеличении расхода BДY
BaeMoro топлива непрерывно будет увеличиваться и производи
тельность печи. Темп прироста производительности будет опре
деляться фактическим значением эквивалента замены кокса.
Вторая еруnnа рабочих режимов (рис. 74, в, 2) характери
зуется условиями еl>ез>е2 и е2>ез>еl.' В этом случае пре
u
дельныи эквивалент замены кокса ез оказывается в промежутке
между еl и е2. Это значит, что, если печь будет работать CO()T
ветственно при эквивалентах замены, обеспечивающих выпол
нение условий и теплообмена, и восстановительноrо' потенциала
ropHoBoro rаза, Т. е6 при е2 (рис. 74, в) или при еl (рис. 74, 2),
будет нарушен rазодинамический режим плавки, так как для
ero выполнения необходимо, чтобы ез<е2<еl ИЛи ез<еl<е2.
При отсутствии соответствующих резервов в доменной плавке
инжекция топлив позволит сократить расход кокса, но эконо
мия кокса будет сопровождаться потерей производитеЛЬНОСТИ6
Если же в исходном режиме печь имела резервы по BOCCTa:HO
вительному потенциалу (рис. 74, в) или по теплообмену
(рис. 74, 2), то при малых расходах топливных добавок (до FП)
печи будут работать при высоких эквивалентах замены кокса
(больше ез) и буд т получен некотqрый прирост производитель
ности. При увеличении расхода вдуваемоrо топлийа более fП
эквивалент замены будет уменьшаться до уровней е2 и el COOT
ветственно (рис. 74, в, е), которые стабилизируются при pacxo '
дах топлив, превышающих FIII., "' '
После уменьшения фактическоrо эквивалента замены кокса
до критическоrо в этих режимах последующие топливные дo -
бавки будут сопровождаться сокращением производительн'ости
и эффективность инжекции топлив в значителы:Iйй мере опреде
лится уровнем подrотовки к плавке шихтовых материалов
с точки зрения их rранулометрических характеристик.
Третья 2руnnа возможных вариантов работы доменных печеЙ
определяется условиям В ез>еl>е2 и ез>е2>еl (рис. 74, д, е) 6
В этих режимах также отсутствует значение предельноrо экви
валента замены, при котором выполнялись бы все три анализи -
руемых условия. Эти варианты всеrда будут сопровождаться
и.... u
потереи производительности, так как выполнение условии теп
лообмена и восстановительноrо потенциала может быть достиr
168
нуто при эквивалентах. замены, меньших, чем эТо допускается
rазодинамикой пеЧИ6' Однако и в этом случае, если в исходном
режиме технолоrия плавки допуска а резерв по отмеченным
условиям, при малых количествах вдуваемых топлив (до FП)
может быть получена высокая относительная экономия кокса
(еф>еI>е2) при незначительном увеличении производитель
ности. Однако в дальнейшем .при увеличении расхода инжекти-
руемых топлив (более FП, а затем более ТIП и FIV) относи-
тельная экономия кокса будет уменьшаться при существенной
потере производительности печи.
С целью повышения эффективности использования комби-
нированноrо дутья в этих режимах доменной плавки целесооб
разны следующие технолоrические мероприятия: рассев шихто-
вых материалов, повышение прочности кусков шихты и прежде
u
Bcero кокса и окатышеи, улучшение распределения rазовоrо
потока и шихты по радиусу печи.
Таким образом, анализ условий протекания доменноrо про
цесса, изменяющихся при вдувании через фурмы различных
топлив, показывает, что оrраничить экономию кокса и количе-
ство вдуваемоrо топлива может тепловая работа нижней сту-
пени теплообмена' и rазодинамика слоя.
В первом случае будет ощущаться недостаток тепла для
физическоrо HarpeBa чуrуна, во втором потеря производитель-
НОСТИ6 Если условием, лимитирующим экономику плавки, яв-
ляет я тепловая работа шахты или восстановительный потен-
циал ropHoBbIX rазов (но не rазодинамика слоя), то максималь-
ные экономия кокса и количество Бдуваемоrо через фурмы
топлива MorYT быть определены по тепловому балансу нижней
ступени теплообмена [89]. В этом случае оптимальные показа-
о
тели доменнои плавки зависят только от резервов повышения
температуры и снижения влажности дутья.
" Определив результирующее (с учетом снижения влажности)
о
ПОВ Iшение температуры дутья и норму тепловои компенсации
при известном эквиваленте замещения кокса, можно рассчитать
максимальное количество вдуваемоrо тоцлива и экономию
кокса, так как эквивалент замены известен.
Если лими;тирующим условием является rазодинамика слоя
(ез>е2>еI или, что то же самое, ез>еl >е2), то экономия кокса
будет сопровождаться снижением производительности домецной
печи, Т. е. данное топливо не рационально использовать в каче-
стве добавки к дутью; необходимо применять меры по улучше
нию качества шихты. '
. : .
Определение 'максимальных количеств вдуваемых в печь топлив
и максимальной э'кономuu кокса
Общая; схема р'асчета максимальных количеств вдуваемых топ-
..
лив и максимальнои экономии кокса при, инжекции включает
в се(5я следующие э апы.
169
_:> :(: t?- ': ' (. -, 'J ?" '::
1. Определение норм тепловой l\Q; .Р: itl ации охлаждающеru
воздействия на ropH доменной печи прс>ц.еt;?Я9:В. конверсии топлив
ных добавок в пределах фурменных зо '.:t, учетом перераспреде
ления процессов восстановления по l3ысоте печи и изменения
выхода фурменноr.о и ropHoBoro rазов. Для этой цели может
быть использовано развернутое уравнение изменяющихся статей
тепловоrо баланса нижней части печи [см. уравнение (165)].
Расчеты MorYT быть выполнены для произвольно выбранной
экономии KQKca (например, 100 Kr/T чуrуна), с учетом лимити
рующеrо эквнваленrа замены кокса.
2. Qпределение возможных пределов повышения темпера
,туры дутья и снижение влажности ero.
3. Расчет максимальных расходов вдуваемоrо топлива в дo
u '
менную печь и максимальнои экономии кокса при инжекции.
С целью определения уровня норм тепловой компенсации
при вдувании через фурмы различных топлив были выполнены
соответствующие расчеты, для которых исходные данные были
приняты по условиям работы доменных печей. Нижнетаrиль
cKoro металлурrическоrо комбината. Результаты расчетов пред
ставлены в табл. 5 и 6 и на рис. 75. Для р'асчетов тепловых ба
лансов доменной плавки с вдуванием через фурмы различных
топлив необходимы данные о теплотах термическоrо разложе
. v
ния различных уrлеводород ых соединении и топлив, содержа
щих эти соединения. Тепловые эффекты реакций определяли
по значениям теплоты сrорания отдельных составляющих уrле
u
водородных соединении и по суммарным величинам теплоты
сrорания соединений и различных топлив. Результаты расчетов
предст.авлены в табл. 7.
ТАБЛИЦА 5
НОРМЫ ТЕПЛОВОй I<ОМПЕНСАЦИИ И ИЗМЕНЕНИЕ НЕКОТОРЫХ ПАРАМЕТРОВ
ПЛАВКИ ПРИ ВДУВАНИИ rА300БРА3НЫХ ТОПЛИВ ( I(:=lOO Kr/T чуrуна)
I
Q Нормы тепловой компенсации Объем rазов, м'/т
I :Z::'"
C';jm:2 вдуваемоrо rаза .. чуrуна
ct) .......' C';j
E-оt:C';j
Вдуваемое :r: CJ U Е-о:l:
QJ R:Z:: :;..,>.
топливо ,,=tI: C13 о ..
C';j::s: . .. ... H O/l %, >. поступаю образую
=:I:::s:= :2 :2::1'
::s:CIJ::s:::s: со r Н 2 О CIJE-о щИХ щихся
=Er:22 .... ....
....... ....... rO....... В шахту в ropHe
::r:QJQQ ..... .....U \С'"
(l):2:z:E-о <1 <:10 O
Метан 1,70 72,0 4,6 8,3 1520 2040 1877 "
1,00 40,6 2,6 4,9 1560 2251 2088
0,50 23,5 1,3 2,7 1740 2705 2542
Пропан 3,70 102,0 6,7 11,8 1510 2123 1960
1,40 19,2 1,1 2,2 1820 2660 2497
1,00 3,2 0,2 0,4 2040 3045 2882
КОКСОВЫЙ rаз 1,10 44,3 3,2 5,1 1375 1959 1796
0,70 30,5 2,2 3,5 1400 2049 1886
0,50 22,4 1,6 2,6 1450 2181 2018
170
ТАБЛИЦА 6
НОРМЫ ТЕПЛОВОй I<ОМПЕНСАЦИИ И ИЗМЕНЕНИЕ HEI<OTOPbIX ПАРАМЕТРОВ
ПЛАВI<И ПРИ рДУВАНИИ МАЗУТА И I<АМЕнноУrольной ПЫЛИ
(АКо::::I00 Kr/T чуrуна)
I Объем rазов, мВ iT
о Нормы Тепловой кОмпенсации
1:=""
C1) вдуваемоrо топлИва .. QyrYHa
CI:) .......
(oor..
Вдуваемое :c c) (-<:С
CJ lI:t U >.>.
ТОПЛИВО =0 f1H 2 0j1 Kr I::{t.
:S::'::C':I' о ..
t. "" В 1 м3 >. поступаю образую.
=:C:S:= :.=0) .. :.:: ::E::r
:s:CJ::s::S: ::е = дутья, ;:6(00 ЩИХ щихся
=EI':at:: .... .Q
...... fo4 ....... r 1мВ дутья \0;;--- в шахту В ropHe
:'::фоl:: .... >. .....С,)
ro::E:C <:!1I:t1::{ <:! о . 02
Мазут 2,0 3,9 2,2 0,45 1500 2056 1893
,', 1,25 0,6 0,4 0,07 1620 2225 ",; 2062
0,80 0,3 0,2 0,03 1770 2460 2297
Уrольная 1,10 1,7 1, 1 0,20 1520 2057 1894
пыль * 0,60 0,2 0,1 0,02 1725 2353 2190
0,40 O,7 O,4 O,08 1930 2638 2475 .
I
'" Кизеловскоrо месторождения.
'Анализируя iIолученные результаты, следует прежде Bcero
..
отметить, что нормы тепловои компенсации зависят от эквива
4
.(У .
Q
'::::J ..
3
:::t
'->
2
.
',
") I
. (::)
о
1
2
, ,
1 2 З
е, К2 экономии /(окса/и S (К2) топлиВа
РИс. 75. Нормы тепловой компенсапии степени охлаждения ниж
ней части печи в зависимости от эквивалента замены кокса (на
Kr экономии кокса):
1 коксовый rаз; 2 метан; 3 уrольная пыль; 4 пропан; 5
мазут
лента замещения кокса вдуваемыми топливами. Так, например,
при. вдувании метана (природноrо rаза) на 1 О/о СН 4 в дутье
необходимо повышать, температуру дутья ,на 72 0 С при
171
ТАБЛИЦА 1
НЕКОТОРЫЕ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ СВОйСТВА уrЛЕВОДОРОДНЫХ СОЕДИНЕНИй
И РАЗЛИЧНЫХ ТОПЛИВ, СОДЕРЖАЩИХ ЭТИ СОЕДИНЕНИЯ
Теплота Теплота термическоrо разло
жении
Yr леводородные соединения Плотность, crop ания I
и топливо Kr IM 8 КДЖ/М:! или
КДЖjкr КДЖ/М:! :', кДж/кr
Метан (СН 4 ) . . . . . . 0,72 35 800 4400 6012
Пропан (СзН в ) . . . . . 2,00 91 200 5550 2780
Этан (С 2 Н 6 ) . . . . . . 1,36 63 600 4380 3220
Бутан (C 4 H lO ) 6 . . . . 2,68 118000 6840 2550
Пентан (C 5 Hi2) . . . . 3,34 146 000 8090 2420
Этилен (С 2 Н 4 ). . . . . 1,26 59 000 + 1700 + 1350
Пропилен (С з Н 6 ) . . . . 1,92 86 000 'i8 21
Бутилен (С 4 Н в ) . . . . 2,50 114000 . 1210 4860
rазлинский природный
rаз . . . . 6 . . . . . 0,73 35 750 3580 4900
Буrурусланский природ 34 000
ный rаз . . . . . . . . 0,88 3170 3600
КОКСОВЫЙ rаз . . . . . 0,51 17550 1010 1980
Малосернистый мазут . 40 900 1630 *
Сернистый мазут. . 40 300 1570 *
. .
Коксовая пыль . . . . 29 300 251
.
Кизеловский уrоль . 20 800 805 *
. .
Боrословский уrоль 11 870 340 *
. .
* С учетом разложения БОДяноrо пара.
эквиваленте замещения 1,70 и на 23,5 0 С при эквиваленте заме
щения 0,50 или из расчета на 1 м 3 СН 4 соответственно ПОВЫ
тение температуры дутья составляет 4,6 и 1,3 0 С. При вдувании
мазута, кроме Toro, оказалось, что при эквиваленте замещения
0,84 повышение температуры дутья не обязательно, допустимо
даже некоторое снижение температуры дутья ( O,20C на 1 Kf
вдуваеМоrо мазута).
Аналоrичные результаты получаются и при вдувании топ
лив а друrих видов. Во всех вариантах расчетов (кроме BДYBa
ния KOKcoBoro rаза) оказалось, что чем меньше эквивалент за
мещения кокса вдуваемыми топливами, тем меньше и нормы
u u
тепловои компенсации охлаждающеrо воздеиствия на ropH дo
u
меннои печи.
Анализ зависимости нормы тепловой компенсации (пересчи
танной на 1 Kr экономии кокса) от величины эквивалента за
мещения для различных топлив показывает, что наиболее эф
фективными в этом отношеliИИ топливами заменителями кокса
являются пропан, мазут и уrольная пыль. Менее эффективны
метан и коксовый rаз (соответственно 2,6 0 С и 2,8 3,70C на 1 Kr
экономии кокса). Это объясняется тем, что при вдувании Me
тана наряду с относительно высоким эквивалентом замещения
172
кокса требуется MHoro тепла на термическое разложение, а при
вдувании КОКСОВОРО rаза при относительно малых затратах
тепла на разложение уrлеводородов малы коэффициенты заме
щения кокса, и поэтому нормы тепловой компенсации, пересчи..'
танные на 1 Kr экономии кокса, получаются высокими.
Следует также отметить, что' для условий вдувания KOKCO
Boro rаза норма компенсации тепловых затрат снижается с YBe
личением коэффициента замещения, а из этоrо следует вывод,
что при вдувании в печь KOKcoBoro rаза без снятия из плавки
I:::! 7
;::j
б
5'
'
:::J."
.
3
. 2
'
1 '
о
1 2 з
J
е, К2 3/rOHONUI1 Iш/(саjN (КВ) толлиЬа
Рис. 76. Нормы тепловой компенсации степени охлаждения нижней ча-
сти печи в зависимости от эквивалента замены кокса [на м з (Kr) BДY
BaeMoro топлива]:
1 5 то же, что на рис. 75
4
u
кокса результирующее тепловое воздеиствие на ropH оказы
вается отрицательным, в то время как для всех остальных pac
сматриваемых топлив оно либо положи'тел'Ьное, 'либо нулевое.
Это в свою' очередь объясняется тем, что при вдувании KOKCO
Boro i"аза (без снятия из плавки кокса) увеличение объема
дутья из расчета на 1 м З вдуваемоrо rаза незначительно, так
как с rазом вводится относительно малое. количество уrлерода.
Если сравнить в этом отношении природный rаз (метан) с KOK
совым, то оказывается, что приращение объема дутья при BДY
вании KOKco'Boro rаза в четыре раза меньше, чем при вдувании
природноrо rаза.
Это подтверждается и результатами расчетов, представлен
ных на рис. 76. При ,условном продолжении линии, характери
зующих нормы тепловой компенсации для различных топлив,
до пересечения с осью абсцисс видно, что для всех топлив
173
(уrольная пыль, пропан, мазут) точки пересечения с линией HY
левой тепловой компенсации лежат, правее оси ординат, а для
KOKcoBoro rаза левее. Для метана (природноrо rаза) точка
пересечения практически совпадает с осью ординат. Это rоворит
о TOM что, вдувание природноrо rаза без снятия из плавки кокса
на тепловую работу нижней ступени, теплообме,на практически
не влияет. При вдува,НИИ KOKcoBoro rаза без сокращения ра-схода
кокса проявляется отрицательное влияние, т. е. необходима теп
ловая компенсация затрат тепла на разложение у-rлеводородов.
Анализ полученных результатов позволяет сделать вывод,
u u
что неитральное тепловое воздеиствие. на нижнюю ступень теп
лообмена без изменения температуры дутья и содержания влаrи
в нем наиболее эффективно может быть получено при вдувании
u
мазута, пропана и уrольнои пыли соответственно при эквивален
тах замещения кокса, равных 0,94; 0,95 и 0,60. В этом случае,
кроме Toro, может брIТЬ получена и некоторая экономия кокса.
Качественная оценка возможных максимальных ве,r.rичин эко
номии кокса при вдувании различных топлив может быть cдe
..
лана уже по результатам расчетов норм тепловои компенсации.
При наличии определенных резервов в повышении температуры
дутья и снижении ero влажности можно, очевидно, предпола-
raTb, что при вдувании KOKcoBoro rаза снижение расхода кокса
будет меньшим, чем при вдувании друrих топлив, так как норма
тепловой компенсации, пересчитанная на 1 Kr экономии кокса
для KOKCOBoro rаза, наибольшая. Максимальная экономия кокса
вследствие этой же причины может быть получена при вдувании
u
мазута, уrольнои пыли и пропана.
Кроме Toro, из анализа результатов расчетов норм тепловой
компенсации следует, что экономия кокса может быть получена
при наличии резервов повышения температуры дутья и сниже
ния влажности ero с высокими коэффициентами замещения
кокса, а при отсутствии тепловых резервов 'c .малыми эквива
лентами замещения. В первом случае определяющим (лимити
рующим) условием максимальной экономии кокса будет воз
можныи предел ПОВЫ,шения температуры ,дутья и снижения
влажности ero, а во втором rазодинамика слоя, так как зна
чительно увеличивается выход ropHoBblX rаЗОВ6 При расчетах
максимальной экономии кокса должны быть приняты эквива
л нты замещения кокса, обеспечивающие сохранение на уровне
исходноrо варианта условий протекания теплообменных, BOCCTa
новительных и rазодинамических процессов.
Анализ работы доменной печи при одновременном вдувании
топлив через фурмы и обоzащении дутья кислородом
Практикой доменноrо процесса установлено, что вдувание топ
лив через фурмы позволяет существенно сократить расход
KOK a, а обоrащение дутья кислородом повысить производи
.174
тельность доменной печи. В связи с этим одновременное исполь
зование обоих отмеченных факторов весьма перспеКТИВНО6 В co
временных условиях работы доменной печи без топливных доба
вок предельное обоrащение дутья кислородом не превышает
24 260/0. При более rлубоком обоrащении ухудшаются условия
протекания теплообменных процессов вследствие уменьшения
количеств Бводимоrо в печь азота, ЯБляющеrося носителем
тепла, и ровность хода печи нарушается. Критерием, опреде
ЛЯЮЩим предельное обоrащение дутья кислородом, является OT
u
. ношение теплоемкостеи потоков шихты и rаза, которое для Bepx
ней ступени теплообмена не должно превышать O,90 O,92.
ДЛЯ выполнен,ИЯ этоrо услови . при обоrащении дутья кисло
родом уменьшение количества вводимоrо в печь азота, выпол
няющеrо роль теплоносителя, должно быть; компенсировано дo
полни.тельным количеством вдуваемоrо тепла.
При расчете показателей плавки на комбинированном дутье
(вдуваемое топливо+кислород) первая ступень расчетов дол
жна, заключаться в оценке экономии кокса и колич ства' BДYBae
Moro топлива без учета обоrащения дутья кислородом. Далее по
известному расходу атмосферн'оrо дутья необходимо оценить co
..
кращение количества ББОДИМоrо в печь азота при заданнои Be
личине rобоrащения дутья кислородом. Для этоrо используют
следующее уравнение:
А ' 1 === V N;д V о;д (100 О;д)
, мЗ/т чуrуна. (166)
N 2 100 1000;д
Определив сокращение количества азота, поступающеrо
в печь с дутьем, можно рассчитать количество дополнительноrо
топлива, которое позволяет стабилизировать в печи ОТНОllIение
WM/W r . Пqлаrая достаточным WN 2 == W топл , получим расчет
ную формулу
h. W N 2 3
'V ТОПЯ === V С + v с + v с + v с М /т чуrуна6
со со Н 2 Н 2 N 2 N 2 Д Д
( 167)
Следует отметить, что, посколь обоrащении дутья кис
лородом, как показывает практика выплавки передельноrо чу
rYHa, расход кокса практически не изменяется, но вследствие
существенноrо изменения состава ropHoBoro rаза уменьшается
плотность rазовоrо потока, появляется возможность увеличить
u
относительное количество rазов, проходящих через слои шихто
вых материалов, а следовательно, и Повысить производитель ,
u
ность печеи.
, Так как при использовании комбинированноrо дутья увели
чивается количество вдуваемоrо топлива, а экономия КОКса
практически не меняется (по сравнению с вариантом исполь-
зования только вдуваем<?rо топлива), то результирующий
175
эдвив'алент замещения кокса будет уменьшаться. по мере обо
rащения дутья кислородом.
, Условие стабилизации схемы теплообмена в верхней части
u ' ,
доменнои печи позволило провести расчеты изменения эквива
лентов замены кокса в зависимости от содер2Кания кйслорода
Б дутье. Результаты расчетов пред ставлены в табл. 8.
ТАБЛИЦА 8
. \
ЗАВИСИМОСТЬ РЕ3УЛЬТИРУЮЩЕrо ЭКВИВАЛЕНТА ЗАМЕЩЕНИЯ КОКСА
ОТ СТЕПЕНИ ОБоrАЩЕНИЯ ДУТЬЯ КИСЛОРОДОМ
Изменение относительноrо 8квиваJIента замены кокса
при концентрации кислорода' в дутье, %
. , Вдуваемое топливо
21
30
50
!'
80
100
0,263 ,
.. 1 ' 0,555 0,181 О, 170
етаН . . . . . . . .
репан 1 0,540 , 0,236 d,166 0,155
. . . . . . . .
, ' .. 1 0,685 " 0,288 0;274 0,260
оксовыи rаз . . . . .
азут . . . . . ' . . . 1-'- 1 0,550 0,213 0,124 .. 0,244
rольная пыль . . . . . 1 0,650 0,314 0,268 ;' 0,244
,Расчеты показали, что обоt.ащение дутья кислородом сущест
венно влияет на .величину эквивалента замены кокса. Вследст
вие Toro, что 'при 'обоrа'Щении дутья- кислородом ре$КО увеличи
вается количество вдуваемоrо в печь топлива и сокращается
расход дутья при,относи
. , ..
тельно малои экономии KOKca
значительно по;вышаются и
..
нормы .тепловои компенсации
процессов конверсии уrл водо
родов в фурменных зонах, OTO
рые определяются по условию
стабилизации процессов тепло
обмена в н.ИЖней части п'ечи
зо 50 70 90 ( 77) П
телень оtJ'О80щеНI1Я Оljтьн КUС/lороtlUИ J % рис. . оэтому И прц ис-
пользовании обоrащенноrо кис
лородом дутья вопросы даль-
u ,
неишеrо повышения темпера
туры дутья по прежнему OCTa
ются в.есьма актуальными. ПЬ
скольку нормы тепловой компенсации зависят -от свойств топ-
ливных добавок, МО2Кно ожидать наибольшей эффективности
работы доменных печей при вы оких концентрациях кислорода
в дутье именно при использовании топлив с относитедьно Ma
лыми исходными нормам!, тепловой компенсации. К таким топ
ливам относятся уrольная ПЫЛ,ь, мазут и сложные уrле,J30Д9РОДЫ.
м
п
1(
м
у
.
t'o)
4
,
::,;;
'
2
'
.
:;:S
, о
Рис. .77. 'Нормы тепловой компенсации CTe
пени охлаждения нижней части печи в за
висимости от содержания кислорода
в дутье
176
э. ПРИМЕР РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ
ДОМЕННОМ ппАВКИ НА КОМ6ИНИРОВАННОМ ДУТЬЕ
Расчеты по изложенной методике MorYT быть выполнены как в режиме пере-
хода от чисто коксовой плавки на комбинированное дутье, так и в случае
перехода с одноrо вида вдуваемоrо топлива на друrое, а также для условий
повышения расхода вдуваемоrо топлива и обоrащения дутья кислородом.
При этом порядок расчетов практически не меняется, но лимитирующие усло-
вия MorYT быть разными.
В качестве примера выполним расчеты, определяющие эффективность
внедрения комбинированноrо дутья.
Исходные данные. Расход кокса 607 Kr/T чуrуна. Содержание уrлерода
в коксе 87,8%. Влажность кокса 1,73%. Расход рудной части шихты на 1 т
чуrуна: 1828 Kr аrломерата, 32 Kr металлодобавок. Температура аrломерата
З00 0 С. Вынос пыли 59 Kr/T чуrуна. В колошниковой пыли содержится 12,6%
уrлелода. Состав копошниковоrо rаэа: 14,15% С0 2 ; 27,30% COj' 0,29% СН 4 ;
2,04 уа ,Ji2 И 56,22% N 2 ., Темцература колощник воrо rаза 350 0 {".. Состав чу-
rYHa: 0,76% Si; 94,03% Fe; 0,77% Mn; 0,21 % Р; 0,032% s; 4,20% с. Выход
шлака на 1. т 'чуrуна 549 Kr. Содержание серы в шлаке 0,76%. Температура
дутья 1000°С, а ero влажность 19 r/м З (2,36%,). В дутье содержится 77,1 % N 2 ;
0,54% 02 и 2,36% Н 2 О.
Определение Сф и Cd выполним параллельно с расчетом степени прямоrо
восс:rановления r d.,
, В 1 м З колошниковоrо rаза содержится yr лерода
.. . I
с' . со + С0 2 +' еН 4 12 27,30 + 14,15 + и,20 12 О 224 / з
К. r 100 . 22, 4 100 . 22, 4 , r м ·
Чбщее колкчеG,ТI}О уrлер'ода в колошниковом rазе составляет
,С К . r === К С К Сп с ч == 607 · О, 878 59 . О, 126 42 == 483,8 Kr I.т чу.rуна.
,Выход колошпико:воrо rаза
, .
V Xo r == С Ко r: С Ко r == 483,8: 0,224 == 2159,8 м 3 /т чуrуна.
СЪд-ержание в нем азота
':"N,=== V K . r 5 o 2 ===2159,8 5 o 2 ==1214,2 мЗ/т чуrуна.
оличество :ВОЗДУЦIноrо дутья соста JI:яет
У д :: 100 1 i2 100 1574.8 M"jT чуrуна.
Этим ко ичеством дутья вносится кислорода
V О Н 2 О 1
'Y 2 == io0 2J1 + V Jl '18 22,4. 2 ==
1574,8 о 20,54 + 1574 8 0,019. 22,4 342 4 3 /
100' , 18 о 2 , м т чуrуна.
,CropaeT yrлерода на фурмах
С ф == V o2/2 ,4 · 12 . 2 == 342,4/22,4 · 12 · 2 == 366,4 Kr/T Чу,rуна.
На восстановление кремния, марrанца, фосфора и на шлакование серы
расходуется уrлерода
С , 7,6 7,7 12 2,1 5 1 2 4.17 12 1
d === 28 24 +"55 + 312 + 32 == 1,8 Kr/T чуrуна.
12 Заказ Н2 97 f171
Следовательно, расход уrлерода на прямое восстановление железа co
ставляет
C d == 483,8 (366,4 + 11,8) :::::: 105,6 Kr/T чуrуна.
Этим количеством yr лерода может быть восстановлено железа
Fed:::::: 105,6/12 . 56 == 492,8 Kr/T чуrуна,
что соответствует степени прямоrо восстановления
'd == 492,8/(940,з 32) 100 == 54,2<>/0.
Далее определим отношение теплоемкостей потоков шихты и rаза на
выходе из слоя (по ходу rаза):
СО 2 С со! + СОС со + N 2 C N2 + Н 2 С Н2 + СН 4 с сн .
W r == V K . rCK. r == V JC . r 100
14, 15 · 1,90 + 27 , 3 6' 1 ,32 + 56,22 . 1,31 +
+ 2,04 . 1,30 + 0,29 · 1,82
100
=== 3023,7 кДж/т чуrуна . ОС.
Кроме Toro, необходимо рассчитать теплоемкость водяноrо парЗ: входя
щеrо в состав колошниковоrо rаза. При этом следует учесть, что водяной пар
образуется в процессе KOCBeHHoro восстановления, железа водородом и вно-
сится коксом.
Следовательно, при степени использования Boдopoдa в качестве 'BOCCTa
новителя 'rJИ 2 == 40 % имеем
V == V K . r H 2 1 5 + rpH!o 2,4 == 2159,8 · 2.04 1 5 +
HJO 100 ' Рк 100. 18 100 ,)
1 ,73 · 22,4 ' ,-'
+ 607 100 6 18 == 79,2 мЗ/т чуrуна.
=- 2159,8
Общая теплоемкость rазовоrо потока
,
W r . 3023,7 + 79,2 · 1,55 == 3146,5 кДж/т чуrуна ;" 'ос 6
Определим далее теплоемкость шихты:
W M == Оа2Са2 + ОкС к + ОмС м == 1828 . 0,85,+ 607 · 0,88 + 32 · 0,47 ==
== 2103,0 кДж/т чуrуна. ОС.
Отношение теплоемкостей потоков На выходе из слоя равно
WM/W; == 210з,0/3146,5 == 0,67.
в среднем для верхней ступени теплообмена имеем
1 + 1f7 м/ w; 1 + О, 67 О 835
т , 2 2 , ·
По формуле (156) величина эквивалента замещения кокса, обеспечиваю
щая исходный уровень схемы теплообмена в верхней части печи, определится
следующим образом: " "
еl ==
1 · 1,40 + 2 . 1,32 + 1,88 6 1,33
1 ,40 93 366,4 77 , 1 О 1 38 1 3 8 О 835
1 , 87 1,40 + О, 366,4 + 105, 6' 20,54 ' , · ,
== 1 ,36 Kr кокса на 1 мЗ природноrо rаза 6
178
,
Для раСЧЕ;'та е2 определим следующую величину:
V H2 === VД НIО 2 4 0,4 === 1574,8 · 0,019 2 84 0,4 === 15,0 мЗ/т чуrуна.
По формуле (158) определим значение е2:
11 2. 25.+ 75 (908, 3 4, 66 105, 6 2,5 . 15)
, 483,8
908,3 (105,6 81,8 105, 0 ' ,4 ) 4,66
(483,8 87,8) (908,3 ,4,6б 6 105,6 2,5 . 15) 25 . 15 ........
483,8 '
, ==2,10 Kr кокса на 1 Kr природноrо rаза или е2==2,10. Рп. r==2,10. 0,715==
== 1,50 Kr кокса/м 3 природноrо rаза.
Результаты расчетов эквивалентов замещения кокса е! и е2 позволяют
установить, какое из двух рассмотренных условий (теплообмен и BOCCTaHO
вительный потенциал ropHoBblX tазов) является лимитирующим. Оптимальным
эквивалентом замены, обеспечивающим максимальную экономию кокса, должен
быть эквивалент, меньший по величине. В этом случае будут выполнены
требования и теплообменных, и восстановительных процессов. Следовательно,
в нашем случае еопт == 1,36 Kr кокса/м З природноrо' rаза. "
Для оценки изменения производительности доменной печи используем
уравнение (164). Решим ero при е== 1,36 Kr/M 3 и экономии кокса дК == 100 ...кr/т
QyrYHa. Для принятых исходных данных имеем '
, , " ,
ам v М (1828 + 507) 2,267
, , f/ ( 1828 + 607) 2,057 == 1 ,06.
ОМУ М
е2 ==
,: При вдувании в доменную печь 1 м З природноrо rаза образуется про-
дуктов конверсии на фурмах
V О, 179 22 '4 + 0,536 22 4 + 0,536. 77. 1 О 22 4
2 ' 12 ' 12 . 2 . 20,54 '
=== 4,88 МЗ 1М3 природноrо rаза.
Необходимое количество Бдуваемоrо природноrо rаза при ЭКОНОМI1И кокса
дК == 100 Kr/T чуrуна составит
V п . r == дК/е! == 100/1,36 == 73,5 мЗ/ т чуrуна.
.При этом отношение плотности rаЗОБоrо потока исходноrо варианта
к плот»ости rазовоrо потока рассчитываемоrо варианта будет равно
р' ( V oPco + Y 2P 2 + V JPNJ У;
р" === (V oPco + Y 2PH2 + V 2PN2) v; ·
Следовательно, для принятых исходных данных имеем
( 3б.б;4 22,4 . 1,25 + 1514,81 0,019 22,4. 0,089 +
. + 1214,2 . 1,25 ) 2020
r. 299 ,5 + 73,5 . 0,535 22 4 + ( 632,8. 100 . О,ОО7 22 4 +
l 12 ' 2.20,54.18 '
+ 13,5 . 2 ) 0,089+ 632,8 3 ;6 1, 25] 2002' .
р'
---л ==
р
== 1,06.
12*
179
По имеющимся данным определим изменение производительности для
условия экономии кокса ДК:::::: 100 Kr/T чуrуна и количества вдуваемоrо при
родноrо rаза F== 73,5 м 3 /т ч уrуна:
, /"" ,
У / ОМ V мР IV r -.!'
р" === р' '" /1 === 100 " 1,06 . 1,06 · 0,99 === 1050/0.
VиOMP V r -
Следовательно, эквивалент замещения кокса при вдувании природноrо
rаза в рассматриваемых условиях определяется процессами теплообмена
в шахте и в верхней части печи.
Выполненный ранее анализ условий протекания доменноrо процесса при
вдувании через фурмы топливных добавок показал, что оrраничить экономию
кокса и количество вдуваемоrо топлива может тепловая работа нижней сту-
пени теплообмена и rазодинамика слоя. В первом случае будет ощущаться
недостаток тепла для физическоrо HarpeBa чуrуна, во втором потеря про
изводительности. Если условием, лимитирующим эквивалент замещения кокса,
является тепловая работа шахты или восстановительный потенциал ropHoBblX
rазов (но не rазодинамика слоя), то максимальные экономия кокса и коли
чество вдуваемоrо через фурмы топлива можно определить по тепловому
балансу нижней ступени теплообмена. В ,этом случае оптимальные показа
тели доменной плавки зависят только от резервов повышения температуры
дутья и уменьшения ero влажности. "
Для определения максимальных. эконом;ии K0l\.ca и количества вдуваемоrо
топлива можно использовать результатыI расчетов, представленные . на рис. 76.
Определив результирующее ожидаемое повышение температуры дутья
и уменьшение ero влажности и располаrая величиной эквивалента замены
кокса, по рис. 76 найдем норму тепловой компенсации охлаждающеrо воздей-
ствия вдуваемоrо топлива и, следовательно, основные технико экономические
показатели плавки в новых условиях.
Для принятых нами ИСХОДН,ых данных допускаем, что возможное повы-
шение температуры дутья составляет 200°С, а минимальное содержание влаrи
в дутье 7 r/M3 дутья. При эквиваленте замены ко"кса 1,36 Kr/M 3 природноrо
rаза норма тепловой компенсации составляет 3,6 0 С/м З природноrо rаза. При-
нимая уменьшение влажности дутья при пересчете на ero температуру
равным 7°C/r влаrи, получим результирующее изменение температуры дутья
д! т === (1 200 1000) + 7, О ( 1 9 7) == 284°С.
Следовательно, без нарушения тепловой работы нижней части печи
можно вдувать V п . r==284: 3,6 ==78,9 м З природноrо rаза/т чуrуна. Экономия
кокса составит ДК==78,9. 1,36== 107,2 Kr/T чуrуна.
Практикой доменноrо производства показано, что вдувание топлив через '
фурмы позволяет существенно сократить расход кокса, а обоrащение дутья.
кислородом повысить 'производительность печей. Поэтому в нашем примере
оценим изменение показателей плавки при условии одновременноrо ПОВЫlllения
содержания кислорода в дутье до 30%. '
Используя результаты расчетов, полученные ранее, определим объем
дутья при вдувании через фурмы 78,9 м з природноrо rаза на 1 т чуrуна
и соответствующей экономии кокса 107,2 Kr/T чуrуна:
( 3 107,2 . 87,8 · 366,4 )
V д === 66,4 100 (366,4 + 105,6) + 78,9 . 0,535 Х
22,4 6 100 3 /
х 12. 2 . 21,0 == 1495,0 м ' т чуrуна.
При обоrащении дутья кислородом до 30% сокращение количества BBO
димоrо в печь азота составит
1495 · 79 1495..< 100 30) 21 3
f1 V N 2 === 100 100 . 30 == 450 м /т чуrуна 6
180
Следовательно, в печь необходимо вдувать дополнительно природноrо rаза
V ' 450 . 1,38 109 3 /
п. r == 1-. 1.40 + 2 . 1,32 + 1 , 17 . 1,38 == м т чуrуна.
Общий расх,ОД природноr,о 1:'аза составит
m 3 /
V п. r :::;= 78,9 + 109,0;:::8 187,9 м т чуrуна,
а эквивалент замещения кокса е== 107,2/187,9==0,572 Kr кокса/м 3 природ
Horo rаза.
Чтобы определить изменение производительности, рассчитаем плотность
ropHoBoro rаза для рассматриваемоrо варианта.
Относительный выход компонентов ropHoBoro rаза составит
V 299,5 + 78,9 · 0,535 22 4 637 О 3 / . ,
, со == 12 , , м т чуrуна.
V 1495,0 . 0,07 . 22,4 + 187 9 . 2 40 ' 3 О З / ' 6
Н 2 == 18 ' , м т чуrуна,
V 637,0 · 70,0 744 О 3 / .
N == 2 . 30 == , м т чуrуна,
"
, п 637,0 · 1,25 + 403,0 · 0,089 + 744,0 . 1,25 == 0 , 985 кт / мЗ.
" 'р == 637.0 + 403,0 + 744,0 '
. ,
,Так как в исходном варианте плотность ropHoBoro rаза составляла
р' ==2483: 2002== 1,24 Kr/M 3 , то получим
р'/р" == 1,240/0,98 == 1.26, а V;jV; == 2()02/1784 == ],12.
"
Следовательно, производи-тельность печи, работающей На комбинирован
ном дутье, по ф ормуле (1 64) составит
rJ' , .. r ·
, . == р " 1,06 . 1,26 . 1,12 == 1290/0,
'1 ; . -:
rде р' производител ность печи на обычном атмосферном дутье без при-
родноrо rаза, %.
, . Следовательно, прирост производительности только за счет кислорода
равен 129 105==24%, что составляет 24: 9==2,66% прироста производства
на },% повышения содерж.ания кислорода в дутье.
:,,1' ,
r n а в I УI ;:;
ТЕПЛОВОЕ СОСТОЯНИЕ ДОМЕННОЯ ПЕ:ЧИ
И УПРАВЛЕНИЕ ИМ
1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕпповоrо СОСТОЯНИЯ
ДОМЕННОА ПЕЧИ
Термин «тепловое состояние доменной печи» оказался весьма
удаЧQЫМ и получил общее признание. Широкое применение этоrо
понятия, не имеющеrо пока точноrо определения, привело
к тому, что ero понимают по-разному. ,
На прак!ике тепловое состояние печи обычно отождествляют
с конечными результатами плавки, чаще Bcero с содержанием
кремния в чуrуне на выпуске {Si] или температурой продуктов
18.1 ;.
плавки. Однако такой упрощенный подхо,n, основанный на цpeд
ставлении о полном соответствии теплотехнических факторов и
v
итоrовых технолоrических по а ат леи, cYLЦecTBe HO затрудняет
v
использование причинно следственных закономерностеи ДOMeH
Horo процесса для оперативноrо анализа работы печи и выбора
необходимых управляющих воздействий.
При расчетах и математическом моделировании термином
«тепловое состояние печи» пользуются для обозначения рассчи
тываемых (внутренних или обобщенных) параметров, xapaKTe
, а
ризующих развитие определяющих процессов доменнои плавки
и позволяющих предсказывать изменение ее основных показате
лей. Cor ласование фактических и рассчитыIаемыыx показателей
является основной проблемой математическоrо описания ДOMeH
Horo процесса. ·
А. Н. Похвиснев [132] одним из первых ввел новый термин
v .
и стал оценивать тепловое состояние доменнои печи с помощью
автоматически рассчитываемых обобщенных параметров. Пред
ложенный им показатель -М определялся балансоJ;3ЫМ методом
с использованием данных о составе дутья и колошниковоrо rаза.
При незашумленной информации и относительно стабильном
ходе плавки по отклонению величины М от ero прежнеrо. значе
ния удавалось выявлять некоторые причины нарушения тепло
Boro режима печи и находить неоБходимыIe рекомендации. ,
Идея математическоrо описания доменноrо процесса с помо
щью рассчитываемых обобщенных параметров была подхвачена
мноrими исследователями и практически реализована. В настоя
щее время известно около 70 комплексных. показателей тепло
Boro состояния доменной печи, которые находят в результате об
работки технолоrической информации о ходе плавки по опреде
ленным алrоритмам [162, 165, 178].
Разработчиками известных отечественных алrоритмов KOH
u ,
троля И управления тепловым состоянием доменнои печи яв
ляются институты ЛПИ [133 137], МИСиС [138 144],
ЦНИИчермет [145 149], ДМетИ [150 153], НИИАчермет [154,
155], ДПИ [156 159] и ВНИИМТ [178], за)Зод «Азовсталь» п
некоторые друrие орrанизации [164 165]. За' рубежом приме
няют алrоритмы, предложенные институтами. ИРСИД [160
162] и ЦНРМ [163}, фирмами «Сименс», «АFr Телефункен» 11
«И талсидер» [162].
Информационные характеристики основных обобщенных па
..
раметров тепловоrо состояния доменнои печи, рассчитываемые
пq алrоритмам ИРСИД, ЛПИ, МИСиС, ЦНИИчермет, НИИА
чермет, дпи и ВНИИМТ, приведены в табл. 9 1. Отчетливо
1 При расчетах в качестве базовой (исходной) информации использованы
осредненные данные о работе доменной печи объемом 2700 м 3 Череповецкоrо
металлурrическоrо завода (ЧерМЗ) . в постановке исследований на этой
печи и обработке полученных результатов участвовал аспирант УПИ
л. А. Сульман.
Ц 2.
r:т> ::s::
< ::r
::r
iS:
r=; О
ф ::r:
< ::r:: f--o
f--o UJ
::s::
g:s:
o::.::r::
:S::
::r:: ::::
0::.",
о.....
f--ot::
uq
О f-o
U Q)
О
Q)
о ::1'
со<
0:S::
h,;::S::
t:::I:
LtJ .
f--o t
iS: ::а
Ш
r:;: ::r
UJ::S::
E--с::S::
<:!:
::r
-
o
t::u
::S::
..о
::r::::s::
Ut::
r:;:
r:;: -
t::
u
00..
::S::
..0<
X
coE--с
o::s::
:r::o..
uo
or...
:tr:;:
<
::s::o
Е--<С::
UtLJ
::s::.....
0....0
щ
Е--<щ
<
<t:Q
о..::а
<Е--<
><:t
щ::r
:QU
:r:: U
:r::<
оа.
::s::
:::r
<:
Q.,
,о
е
:r::
::s::
tI:
''''1:
:O:
=f-o
f-oС\!
(.) М,
=<'3
>,:Z::
::1'0
1::
.:s:
00
:C
:C
0(.)
:0::::.::
:::r
С\!",,=
21::
c::l.::a
°0
&:::.::
:c:s:
:O:f04
(.)
::.с: 0
:с:!::
.c
::1"'1:
O
О,
=S;! :с
ttl: :о:
Q)"'I:><::r
::1'CII:O::o:
:O:I::(Ef-=
",,=Ф Q)
O =
I::
о
"
I
:о:
11:1
(00
(.)
=
>.:0:
trf-o
(.)
:0:0
:с:с
:r.c
:::.::"'=
:Са)
>,(00
-6<
1::(
:с
О
t><:c
(.):а:О:
Q):C::1'
::r 1::( :о: CQ
:O:Ot;
"'=><41
011:111:1
:с; :о:
Q..:r:: :о:
t: .::>: :::r
фсао
:coe:a::t;
:сМОс.
Q).crn o
::r"'l: ..c>...
0\C)""O"
:ж:t: :С
(Y) :о:
с
О
:r::
(.)
:::.::
Q)
"'1:
=с,:
:St;
Оф
:Z::f-o
....
:c
:r::::.c:
сао
I::
:с
Q)
::а
=:
:Е:
(с)
t.Q
oЬ ::iS
I=:C\S,.QE-o
(1) о.. Е--< ><
E--<E--<>':S:
E3
t;C\S:s:C\S
I:C I:C
>'t::ctlE--<
:r ('I')
:s: О
(1) ......!:Q
Е3 (.)
O E:E--<
o..,.QO(l)
01=:j:QC\S
><OO!:Q
E--<f-o/ ::a
(1) :S:E--<
C\Sg:З:::S:
,.QSI:1'
ctlE--<О>'
(.)I=:(I)
О ::r:
с.о
<:)
о':>
.....
.....
с
C'I':)
tJ
Е-< ' 9
..... ;
CI.) C\S
:s:C\S
::==:s:
C\S-& 6
>. ;s:C\S
.....1=:C't') .
.,.t::C\S0
O(l) 0..6
cE--< (1)
1=: .
C\S);::s::
::=0 >.
ctlE--<
I=: Q)
::a
E--<I:CO::S::
E--<
ОС':! .......
><Mj:QO@
(.) .. Q) >.
C\S, 0..!:Q
0..10'-1 -<.
.о
е-.
It';:I::s::><:'::a
(l)E--<:S:C\S Е--<
ctI::=I:CCl)><
м о.. c\s Е--< o..::s::
;s: (1) !:Q (.) 0.. 0 !::I
); o ::s:: .....
OMO""
I=:..QQ:I !:Q
:З:: 1=:(.)tJ::0
Cl)C\S0 r::;:E--<
50
E--::S::::s::>< ::r::
::s:: :s::co
r:Q...... :з::Cl)t::
t 5.::c ::g
r:Q r:Q t:: C\S Е:
>.0 ::s::
:r 5 . >< Cl.::Q
Cl)0C\S t::(.)
..... .... (.)
.... C\S::Z:: C\S
g a ::Е =S
:S: (1) >< '
м::С 1:i:s::::S::
:s: ::s:: sa
11':>
......
t::;)
CI':)
LQ
..
11':>
е-.
c::s
о
t:::
,
с:::
::с .
Е--
(.) .
(1)
r:Q .
c't')
:s: .
CtI
CtI
);
С::: Q)
ctI::r'
);С':!
::s::J:f
O
01:::
j:Q
О
(l)C\S
::C
, :s: ><
(.):s:....
!""f;,Q
Q);::I:З::
r:::g::c
I:::C\SQ)
=S =S
0;;0;;(1)
C\Sc..
с..С!)
::!: Е--< t::
::а 0><
::с Q)
..Q о..
l=:,.Qf-o
(l)r:::
t--o(l)o
::S::E-о
!:QC\S(I)
Е--<М(.)
(.) !:Q
ОQ):З::
:rt::::s::::s::
О ::C::r
r::: t:I:::S:
C\S = ::s:: 1=:
..o C)
<:З::!:Q!:Q
C'I':)
c:::s
с
с\1
о':>
..
с\1
00
.....
I , ..
Q) f-o/ S
>. О...........
:а U
::s:: '--"
О :r
l:::Q)g
(.)1:::1=:
:S::Q)Q)
.. ::r::
C\SOC't') EI
I=:MC\S
t:: ::s:: U
(1)(1)0
t--o :I: t::
О
r:Q :S::
f-o:I:Q)
g
:r :з::
:S::O(l) _
1=: S (.) =U
::g o
f-o ::s:: I ' ::s::
t:I:: ::=t:I::::s::
(.) Q)::S::I:C
::s::Q)::CI=:E--<
r:Q!:Q0!:Qc:.;
C\S C\S 1::: :s::
C't')f-o Е--<CI.)
(.)0(1)1:::(
8 C\SC't')
t';:I !;Е О
Cl.0 ><:С':! 1]:1
:s о.. ><
=S><?1 b ;;'
C\S:s..... ;::::j
o..::r:C\SCl)g
c\s ::= ::r:: c\s
t::C\S>. !':':f
o.."':;::::j
c...;.Q>.
Е-< CtI f-o/ =S
ом><м
:S:o
Sr:Q
t:I::
:s:
:З::
Q)..Q(I)
:r с:.;
C\SSc:.;r:Qt:I::
:З::::S::C\S0::S::
('Yj Е--<::r:
t-.
..... \J
сё:::.
с.о
с
.....
с')
..
ф
LQ
C'I':)
I..L'?
I ..
(1) !:I
:t:...........
E--<u
О........
C\Sg
I=:
I:::Q)
Cl.)E--<
f-o/C\S
t::f. c't') S
oC\Su
><:
(.) О
CtI t:: :::r.::
о..
1=:
:s: c\s
::а
::C ::!: :::r.::
C't'):Q
Ф::С -
a::t:.. u
c O
183
I . I I I I ' :.>:: I :>:: I I . g I
1::: Q о ==0=0 tJ:s::o
\о "'ОдЕ-<
t:: !:Q Q., Е-< I!I :з:: S' I::Е-<:З::
,e<:j 8 tE-< о:r:: Q) C:J [, t1:S (.)0
sa>.
1:1:10* !:QOC';3:I:Q) 1:: aoo
<!) " (\S Q.. Q) >. .е- ::s ::sC';3>< t::!:Q:I:=
::s:: Ао:а g><8 o ::a O,.Q
=r:: t:: = I:;:
'а) >. J::i ,.Q ::а о ' "':I: ><",Q)
О J:;:I:I:I:I 0..== ::а:з::Е-<::rcС';3
1::: :><: 0= = r:Q '1iI :s: Е-< '" :r::::S:=::s::З::
о Cl.)r:Q . :a0t:i (.)t:i Е-<:'>::
,1::[ ::а :3 5
D:: r:Q . :I: '" ott1:S
О ,.Q::S:: с,) I ,.Q .. cv)
р.. со 'E-< 8.t::OE-<CI.) , ,.Q CI.) 1XI::S1:;:
t:: ' . (,) I:;:O Eooi>, CI.)
, с,) Е-< <1) , ==r
Oc,)f-<::r :S::(I.)!:QO Q)Q) g::rclXltQ
= ::s:: (1.) ,О E-<Е--о,.Q
Д(!)С';3о.. ::S:(1')c.. ::S::t1:SJ::;: о'" C';3::s
1:;:t:::t:1XI1:: sa:I:C';31:: IXIMO:S:: J::i .....
C1)CV)..... с:::с.. E-<C'::IE-< C';3 ::s:: :s ;.q
.-1,," f-<O =' f-<,.Q::S:: C) I!I I:;:O::S::::S
(l.)E-оJ::;: >< 1:1:10(1.)", =\0' ,-<<1)
. ' .: .. : t:s::1!I:S::1:;: C\I ,tJ tQ C\I >'1::=1:;: O O>.
' t Itj ::t"<I) 1::[0 :I::a t:r' =1::
Е-< >. Е-< j Q):З::0..
. i:6 C\I C\ltl::E-о':З:: 1XI О с::: c:::a :S:
. ! . 1:;:,.QQ)tQ,.Q", I @ :S: :s: ::s:: Q)
>.:S::фМ ::aoa
::r g::r: \O C'\!O@t::: ::E:::a = t)
о Е-< &Е Q., Eooi t:: :З::IXIIXI со E-<1:I:I 0..
LQ Ф -.::1'" C'\I ............ ......
C"t':)C"':)
"
(
....
,
"
0::1<
':1'1 с:::, ... <::)
'
. f"
C"I
.....
с..-,
CJ
,,
с:::
t::!
."
<:>
.184
с.о
1.Q
с
00
00
LQ
00
I I ... ·
..... O,o::j а
'2:
.. Е-<
::s:: ::s:: (1.) .....'
t:r' .......
Q)>. еЗ
t::J;Qo..>,
c:::C'::IC'\!l::[e
::s::E-<t::
::з::g=о ·
с::: (.) "'"
о ::ао
f-<оЕ-<= 6
(,)t::><=
О ::s::
t) SIXlI=i
o :s:: о 0 <:\1
"",:а>.о..
О:I:tQЁм
t
I ::s",
Q)=::S:0
Е-< t:r' 1:;: '
00
.....
с
..
00
ф
I I ..
0::S
O
::S::
=
8::s
o"' .
t::: P',.Q
О Е-< E-i .
:::S::::(!)>.
::Sl::[
>.(\S
t'QQ.,
"'(\S
f-t t:: О .
t) "'"
0::s: о
t) :з:: C\I
0==0
t::roC';3
С'\! IXI CQ
""",O::s
Q) 'о...........
&Eo::S::J::;:
"",=t1:S
OO:S:
Е-< J;Q \О
C'\I
......
сх) 00 00
I.Q LQ LQ
с
с\1
с\1
CLQ......
...... 10 с\1
t'--00C"t':)
.. .. ..
сос
11+
(..,
<u
<u
,
'
с:::
<u
(..,
о
t::::
. .
::S::>'C\I
1::[ "'" :з::
о >. >.
><: t:' "'"
\О"",>.
t:r'
:з::......
. . .
g ...
=I::[t)t:::
C';30"'0.. .
S t:: . . .
rof-t <1)
о", ::s::
I!I....... '" ::I:: ::s::
..... J::;: <1) О < .
"' :з::==
.. 0..:.>:: Q) I::i . . .
C\!(.)::r >... .
2 CV)0..
(!) :s: 6..
E-< O a> ,.......
Q) "'" О :.>:: ; '" '"
0..0 t:r'::rc
С)r:Q:з:: .
== ffi I::[ = . О О
"' oo t::t:::
1:;:(1') ><:lXIrJZ""""'
>.'" О Е-< f-t
(1') o..o ......
",::S: <I)oO'
o..g ::r: :<j<I<I
'<
. . .
"'"
.. с:: .......
'" ::s:: 1:;:
I:;::I: (\S
t:: Q)
.
1:;:
о
о 1:: Q.
r:Q f-4
E-t... Q
(,) ......=-=
Q) J::;: f""'SJ
:з-t:i"'J
=
J::;: Q) ..
о о =
::S =
со
aQ
'I:t'
CI';)
C'I
...;иw..
=::!: ' ·
CI)CI:I°O
8c..l=:x
of-<t::
,...,OQ)
..... t-oCI:I
ОФ ....
=x""
:1s
foo О с..
ф::r:о О
.. Е-о g.
$20t-o
CI:I..Q
r::E-оCl)CI:I
'" (,) =-&
00tJ::
:g@X
t::::tJ::::S:
Q)Q)::s:
E-tt-o (,)
' ::S:
CI:IE-<E-t::S;:
(,)CI)=
о roХ
t: 2
'(3)
CI:I:s;:
('t)::r:
""tJ::
::r::::s;:
01=;
t::
><
:а
o::S;:;::S;: =
::a:s::::r:
=S'(3)
.Q$2==
t::::C!3Q)
Q)CQc..
f-<....
=;.а .
fs;><
U::r'Q)
CCI>.c..
>. Е-о
1:3"
О ...0
C!3 Q)
Q)(,)
.c.t-o
t'-
......:r::. <::::>
t::;)
ф
......
CD
......
CD
.,
LC
""
с\1
..
с
I
......
......
с
......
....
Е-о
;S>,
:.t::
N
c'r:)
о
t:::
,.Q'
f-t>.
(.)1:3"
CI:I!:-. 6
1:3"
!2 .
g с!3 .
,
::r::
:s:: =
= Е--. 6
CQ:s:: .
с!3 .
t::::t::
t::: .
Q)з::s:
f-o о
t::(=
0=
Q)CI:I
::S: =
0..0>.
t:::t::(
CI:I
о... CI:I .
>.
-& .
...
CI:I>9.
::с
.
CI:IU
О = .
0..::1'
Q) Q) .
r:: t::
>'3=
О
1::{:З::С!3
0==
XQ)>.
(.)
CI:IO>.
р,. 1:3"
.
=:s:: ' , CI:I 0:S;:
Q)t; ::I:0
8ФtQ =
O::r' ::r:
o..CI:IE-t Ф
O Q)8.
Х
t-o=C\I::r::
Q) о...
$2b-&
C\I,.Q U
t::::E-t°>(О
'8 ::a
=r:::::I:t=;:
,.Q =CQФ
r::t=;:tQOf-t
Q)фС!3::I:5
E-t Е-< cl. U """'
C!3::S: t:: 00
(1) 0 ffl
U::r:Q)::S::S::
01:1:1==01:1"
>. Q) ::r: о... (1)
t:I"altJ::t::t::
.....
t:::>
о
ф
с\1
...
CD
t:::
Е-о
c'r:)
о
t::
':S::
g .
g t:: 6
О
о..
.....==
...... О .
tJ::::r: .
CI:I::З::
= Q)
f-o
>. О .
=1::{
:s::
::g
,.Q =
t:J:::E-о=
roU
=0........
:2iЕ-о
О t:::: ..
::g Q) 1%1
м Е-< IS:
O::S: :s
CQ
'185
r:;
(О'
...
· I Е-< C:Q
:S::::S::Q)O
c:Q CI;1o..
Е-< c:QE-<
g::aQ)
>.:S::E-<);
::1"=::S::CI;1
CI;1::1"o..
= :>.> CI;1
0;;0;; t::
=0..
=Q)ФQ)
Q) ,.Q::s::
38E-<::r::
:а >. Q)
1:Q t::t=
о . (1)
t::S2
,.Q :s::
OJE--.....
C:'\I С,) "
O,
CI;1 :J 0..,.Q ,.Q
t:;:0t:;:
О ,5
=
':r:
(1)
$Е
r:;
-о
l::{
о
Q.. <о
t:
tQ
.....
. . . ><
С,)СТ)СТ) :а
::s:::s::
Q) =
t:;:E-- =
;Q)g
"""CI;1,.Q"""
O E-<C)
CI;1()o..
,
= ,.Q
::а О t:;:
о
;;o;;..Q:s::
о t:;:1:Q О
t:;:Q)E-<=
С,)Е-<(,)'о:!
CI;1I:Q"""
CТ)
Q)C\3::r'
S =g=
0t::Q)::S::=
\о ==::1"
::S:: = 3
CI;1:a::S::Q)Q)
:I:=t:;:);1:Q
0=' IE-o'
::a:S::Q)Q)CI;1
=1:Qt:: =
С,) t ); о' ,
1:Q:a o,::s::
t:;:>'); CТ)
t:::r'Q) С\3I:Q
'о:! >.' CI;1
"",,0= ); t:;:
OQ) CI;1::S::C
:-:S::St:;:::r::
00:S::@C\S
o..C::r'....,.);
O():S:: O :S::
::s:: :><: :s::
:a() c:Q Q)
::r:: t:;: о..
::s o
CI;1 Е-<:а,.QВ
=C\SC,)=E-o
ECТ) = C,)
C\S.QQ);;-.Q)
::S:: t:;:::S ::r'
0..0Q)Q)t:;:=
О t: Е-< о... С,) ::!:
с
10
10
.....
, ". -
..... ...
.
.... -
t:: "
:::==>:
:J:
t:::> c:::ro. с::::> :::j t:;)
м
.....
со
10
.....
.....
......
?'Q)WI
Q)0c:;:>.o
1:Q1:Q1:Qt:r'
E-< O
0t:=E-< о
2Q)CI;1'=:-
Q)E-<t о
:I:: = .
CI;1:S::c:Q=
=8'
:s:: g:a .
g; =<3 .
@CI;1
I:Q о.. = .'
........Е-< =.
oQ));
() ::S::Q)
..Q .. = о...
t:;:""--"C:::
!:50 с\3
c.....E-<с:::
); :S::
::S::C,)():I::
186
.
10
.....
с
c'\t
со
С
.....
.....
.....
с')
с
с
м
""
с
I
Е--.
'о
Е-.
CI:)
о
t::::
I , с:::
O:s::....
1:::{ t:;: ..... <3 о
OO
><: I:Q
С,) CТ)::S:: 6
CI;1::gt':S=
о...::б о... Q) .
(\') t:;:
::s::::g I:Q.
=С:::О
t:;:...
>.01:::{'"
><:
\о с\3 С,)
Q) t:;:
);::r::@I:Q
::s::E-<I:Q
,.Q 0::1"
Е-<::!:::!:С,)
С,).....ОС,)Е-<
0,.Q1:Q<1J.........
=::r::E-<::ft:;:
CТ):I::()OC\S
C\S C\S Q) о...
0..1:Q::1"t:
о=
О .
C,)
Q)Q)
::r'
:s::::s::
);t:;:
C\S
::r::
:s::
..
O
Q
:S::
Е-<
С,)
О
0:S:: I:Q
::S::::S::
0..::1"
Q) ::S::
Е-<О
:S::E-<
0..С,)
>.
видно, что для определения этих параметров необходим COBep
ш нно .разный объем информации от 12 до 153 переменных
..
величин Xi, влияние которых на результаты вычислении при не.,.
зависимом изменении отдельных переменных в пределах 2 50/0
их базовых значений представлено функциями чувствительности.
Эти зависимости, найденные методом математическоrо модели
рования, характеризуют реальные возможности рассматривае
мых комплексных показателей и отражают требования, предъ
являемые к исходным данным. Чрезмерно чувствительны к по
rрешностям измерения контролируемых величин обобщенные
параметры и, дQ, дК, дА и дq.
:. Промышленные испытания существующих алrоритмов под
твердили целесообразность применения наиболее представитель
ных обобщенных параметров для оперативноrо анализа ДOMeH
u u
HQro процесса, но достаточно устончивых связен между рассчи
тываемыми величинами и основными показателями плавки не
установлено [165]. Надежность этих соотношений оценивали
с помощью взаимно корреляционных функций (ВКФ), описы
..
вающих в динамике характер взаимосвязеи между значениями
.отдельных параметров и фактическим содержанием кремния
в чуrуне на выпуске [Si]. Примером MorYT служить зависимости
(рис. 78), вычисленные с использованием среднечасовых дaH
ных о работе доменной печи объемом 2700 м З Чер З за три
периода наблюдений. .
Неточность полученных результатов чаще Bcero объясняется
недостоверностью исходныIx данных о значении контролируемых
величин, сбоями в работе измерительной аппаратуры и вычис
, ..
лительнои техники, а также влиянием переходных и друrих He
учитываемых явлений. Все это имеет большое значение, но, по
нашему мнению, есть и друrие причины, связанные снеудачным
выбором исходных предпосылок при построении моделей TeXHO
лоrическоrо процесса, нарушением общих принципов систем
..
Horo анализа при решении частных задач и излишнеи осторож
ностью при использовании современных кибернетических MeTO
дов обработки собираемой информации о ходе доменной плавки.
Уместно также отметить, что почти все известные комплекс
Hbie показатели, определяемые балансовыми методами, не OTpa
жают состояние TeMnepaTypHoro поля печи, изменение теплофи
зических характеристик потоков rаза и шихты, развитие тепло
обмена между этими встречными потоками и друrие, не менее
важные теплотехнические факторы. Поэтому мноrие из paCCMaT
риваемых величин по существу не являются обобщенными пара
метрами тепловоrо состояния доменной печи, и их следовало бы
называть иначе.
Определяющее влияние температурных факторов на ход дo
. менной плавки общеизвестно и отм;ечено в работах мноrих ис
следователей. М. А. Павлов писал, 'что для правильной и OДHO
образной работы печи и получения однородных, т. е. постоянноrо
187
состава, продуктов плавки необходимо поддерживать rори...
зонт шлакообразования на постоянной высоте. Эти положения,
указываЮIЦие на необходимость стабилизации температурноrо
r xy (f) r Xfj (r) r х,! (п
0,5 0,5 L1 O [SiJ 0,5
О. D,Ч 0,"-
О,З 0,3 0,3
0,2 0,2
0,1 0,1
8 f ч
,
оз
.
O4 o ч
, ,
O5 O5 W и [S П
. I
r Xfj {f}
0,4
0,3
0,2
4 8 12
04
.
м ш [5 i]
Рис. 78. Взаимно корреляционные функции, описывающие взаимосвязь между сущест-
.вующими комплексными показателями и содержанием кремния в чуrуне на выпуске, pac
считанные по информации о работе доменной печи объемом 2700 м З ЧерМ3:
1 за 1 4/I 1972 r.; 2 за 6 lONIII 1972 r.; 3 за 15 17/1 1973 r.
поля печи, послужили основой для разработки традиционных
,способов ведения доменных печей.
Дальнейшие исследования показали, что концентрация KpeM
ния в чуrуне зависит не только от тепловоrо режима ropHa, но
188
и от таких факторов, K K химический состав и удельный выход
Ш,лака, продолжительность между выпусками, состояние летки
Ц друrие. Поэтому при обычных условиях работы печи нельзя
ожидать тесной взаимосвязи между значениями отдельных обоб
щенных параметров и содержанием кремния в чуrуне на BЫ
пуске. Надежные зависимости, между рассчитываемыми и фак"
тическими показателями MorYT быть, вероятно, JIИШЬ при устой-
чивоЙ стабилизации тепловоrо состояния печи, схода шихтовых
материалов и характера rазораспределения.
. В наших исследованиях под теПловым состоянием доменной
печи будем понимать установившийся или близкий к нему теп
v v
ловои режим плавки, которыи оценивается с помощью рассчи
тываемых обобщенных параметров, описывающих развитие BOC
становительных, тепло и массообменных процессов ,как в Bepx
н'ей, так и в нижн зонах печи (рис. 79). Конкретному тепловому
состоянию соответствует вполне определенное температур-
ное поле, которое отражает фактически сложивш:ийся ход
плавки по высоте и объему печи. Поэтому количественные xa
. 1. U
рактеристики температурноrо поля являются интеrральнои oцeH
"
кои доменнрrо процесса в целом и позволяют судить о TeHдeH
ции ero развития.
"В соответствии с принятой концепцией развития основных
теплообменных процессов доменной плав:ки, изл()женной в пре..
дыдущих rлавах книrи рабочее пространство печи делят на две
относительно самостоятельныIe тепловые зоны верхнюю и ниж
.- u u
нююс условноиrраницеи по изотермическим поверхностям
с температурой rаза t o и температурой шихтовых материалов
tmO (см. РИС6 79). В качестве параметров BHYTpeHHero состояния
этих зон принята рациональная система обобщенных и проме
жуточных показателей, которые рассчитывают по обычной Tex
нолоrической информации о ходе и условиях работы печи. При
опреде ении этих величин применяют как физИ:ч ские (детерми
нировзнные) модели процесса, так и кибернетические способы
обработки исходных Д HHЫX и проrНQза развития плавки.
Для :количественной оценки тепловоrо состояния верхней
зоны печи предлаrаются обобщенные параметры ее температур-
Horo прля, безразмерные величины В. и i B , отражающие интен '
сивность HarpeBa шихтовых материалов и их среднеинтеrраль"
ную температуру. Тепловое состояние низа печи контролируют
с помощью друrих обобщенных параметров Qp и i и , автом,атиче..
ски рассчитываемых по методике зон.ал ноrо материально"теп
ловоrо баланса.
При вычислении этих обобщенных параметров тепловоrо co
..
стояния верха и низа доменнои печи используют промежуточ-
ные комплексные показатели, которые имеют ясный физический
смысл, понятны технолоrам и характеризуют влияние опреде
ленных rрупп теплотехнических факторов на развитие основных
poцeCCOB. Применение таких показзтелей облеrчает анализ и
189
l'
проrноз хода плавки при сло)Кных технолоrических ситуациях,
а так)Ке поз оляет учитывать естественную последовательность'
(динамику) развития отдельных стадий доменноrо процесса.'
11,/1/
8еРДfЯR
4 ступень
t, (Н) теллооомена '
(т < 1)
8
Верхняя Зона
12 теллоВаR IjMepeHHbIX
зона
, , темперот jJ ,
.
1т:::!)
16
. .
20 Нижняя
Нl1ЖНRЯ стljлень
тепло8ая 4 теплооомено
зона
24
. .
28 о
t ш. ос t r . ос п 400 800 1200 t. ос
Рис. 79. Схема температурноrо поля доменной печи:
а деление рабочеrо пространства печи на верхнюю (заштриховано) и НИЖ
нюю тепловые зоны; 6..... кривые изменения температуры встречных потоков
rаза и шихтовых материалов по вертикали шомпольноrо отверстия
Тепловое состояние печи рассматривают как один из OCHOB
ных факторов *, определяющих при существующих условиях
плавки ее количественные и ачественные показатели, стабили
u
зация которых в пределах допустимых отклонении от оптималь
u
ЫX значении является целью управления доменным процессом.
1. КОМПЛЕКСНЫЕ ПОКАЗА ТЕЛИ ТЕпповоrо
СОСТОЯНИЯ ВЕРХНЕА ЗОНЫ ПЕЧИ
Современная технолоrия доменной плавки, основанная на MaK
симально допустимом замещении кокса дополнительным топли
БОМ и rлу боком 'обоr'ащении дутья КИСЛОРОДОМ, заметно ОСЛО)К
* К друrим определяющим факторам MorYT быть отнесень! ровность
схода шихтовых материалов и характер rазораспределения по сечению шахты
доменной. печи.
190
..
нила условия HarpeBa шихтовых м териалов в верхнеи зоне печи,
Б то время как роль процессов непрямоrо восстановления cy
rцecTBeHHo возросла. Такие противоречивые обстоятельства по .
требовали более cTpororo соrласования мер по интенсификации
.. ..
и управлению доменнои плавкои с реальными возможностями
развития теплообмена между встречными потоками rаза и
шиХ:ты.
Решение этой актуальной проблемы привело к разработке
ориrинальноrо способа контроля и управления тепловым состоя
ни ем верха доменной печи, известноrо aK алrоритм УПИ [89,
90, 167 173]. Выбранная система комплексных показателей и
методика их расчета основаны на закономерностях тепло
и массообмена, изложенных в предыдущих rлавах книrи. ,
Как было отмечено, в соответствии с принятой концепцией
двуступенчатоrо развития теплообмена по высоте доменной
печи, весь ее рабочий объем делится на верхнюю и нижнюю
тепловые зоны. За условную rраницу между этими зонами BЫ
браны изотермические поверхности с температурами to и tшо,
которые хара теризуют.начало заметноrо развития эндотерми
ческой реакции восстановления двуокиси уrлерода. Зцачения
'этих опорных величин определяются конкретными условиями ра-
боты печи и при выплавке передельноrо чуrуна с использова
нием комбинированноrо дутья лежат обычно в пределах 850
950 0 С. .
Следует заметить, что условной rраницей раздела между
верхней и нижней тепловы,ми зонами выбрана не какая либо
фиксированная плоскость, а изотермические поверхности слож-
ной формы. Близкие по величи.не и довольно стабильные темпе-
ратуры t o и t шо можно считать cBoero рода естественными KOH
стантами KOHKpeTHoro доменноrо процесса. С точки зрения удоб
ства математическоrо моделирования не менее важна и такая
особенность природы доменной плавки, как практическая завер
шенность теплообмена между встречными потоками шихты и
rаза именно вблизи ПрИНЯТОЙ rраницы раздела, rде отношение
, теплоемкостей этих потоков т == 1.
Верхняя тепловая зона охватывает большую часть объема
..
шахты печи, rде происходит основнои HarpeB шихтовых материа-
лов и разви:еаются наиболее эффективные реакции непрямоrо
восстановле ия. Поэтому технико экономические показатели
плавки во MHoroM определяются тепловым состоянием шахты
печи, точнее ее температурным полем,' которое является дo
вольно верным отображением развития взаимосвязанных тепло
обменных, восстановительных и механических процессов ДOMeH
ной плавки. Болеепредставительноrо обобщенноrо показателя
..
состояния технолоrическоrо процесса в верхнеи части печи, чем
'ее температурное поле, подобрать невозможно.
Для количественной оценки установившеrося температур
Horo поля верхней зоны печи был' предложен безразмерный
191
омплексный показатель i. Величина этоrо показателя, назван
Horo индексом температурноrо поля, характеризует :среднюю
температуру проrрева шихтовых материалов в пределах Bepx
'
ней зоны t m , отнесенную к температуре rаза на rранице раздела
между зонами to, т. е. i == tmft o .
Б тех случаях, коrда известны надежные опытные данные
о температурном поле печи, как например при исследовании
......
опытной доменной печи НТМК [171], значение t m может быть
определено планиметрированием экспериментальных кривых
t(H) с последующим осреднением полученных результатов.' <
Опорную величину to находят по точке переrиба на кривых, OT
ражающих изменение температурноrо поля по высоте печи в об
ласти рудноrо rребня (см. рис. 79).
Одно ИЗ достоинств индекса i как, комплексноrо показателя
тепловоrо состояния верха печи заключается в том, что ero
численное значение может быть найдено 'по обычной технолоrи
ческой информации. ПервоначаJ1ЬНЫЙ вариант методики расчета
этоrо показателя был основан на следующих исходных предпо
сылках:
1) исходя из размеров рабочеrо объема печи и конкретных
u u u.
условии доменнои плавки, задаются значениями среднеи высоты
верхней тепловой зоны Но и температурой rазовоrо потока на
rранице раздела между зонами to;
2) полаrая, что теплообмен между встречными потоками
rаза Ц шихты вблизи rраницы раздела завершен на 95 98 о/о,
принимают разность температур Ato == to tшо;
, 3) тепловые эффекты эндо и экзотермических реакций He
прямоrо восстановления учитывают, выражая их через кажу
щиеся удельные теплоемкости шихтовых материалов;
.....
4) температуру t m находят как среднеинтеrральную вели
чину по зависимости
tш J o j'tш(Н)dН ос, (168)
, а изменение температуры шихтовых материалов по высоте печи
t ш (Н) описывается простым экспоненциальным уравнением
tш(Н) tо (tо tш.,,)ехр [ = (1 )Ho]OC. (169)
rде t m . R средняя температура заrружаемых шихтовых
материалов на колошнике печи, ос;
S среднее сечение шахты печи, м 2 ;
W m И W r средние для верхней зоны печи значения теп о
емкостей (<<водяных чисел») потоков шихтыi и
rаза, Вт/ОС;
192
k суммарный коэффициент теплопередачи между
встречными потоками rаза и шихтовых MaTe
. риалов, Вт/ (м З . ОС);
5) интенсивность теплообмена между потоками rаза и шихты
задают предварительно рассчитанным коэффициентом k1;, зна..
чение KOToporo находят по формуле [89]
k E ===a v /(l +0,2Bi) ВТ/(М З . ОС),
(170)
rде
VO t9 (t + 27З)°'З
a'lJ 3,4М' r ,/ 75 sO.9 (1 +0,9 ; ) ВТ/(М 3 · ОС). (171)
, ш
Здесь М' коэффициент, зависящий от относительноrо
.содержания мелочи в шихте [89];
Bi критерий Био, Bi == аvdш/л м ;
d ш средневзвешенный (эквивалентный) диаметр
КУСКОБ шихтовых материалов, м;
Л м коэффициент теплопроводности материала
шихты, Вт/ (м. ОС);
V r И Д V r выход cyxoro колошниковоrо rаза и ero из
: менение, мЗ/мин. '
Индекс температурноrо поля печи рассчитывают по ypaBHe
нию
. 1 [ tK t ш . к ' 1 ехр ( A)
t =:::;:. t K т (t ш . к + /1t o ) А
т At о ]
t K т (t ш . к + !J..t o ) доли ед.,
( 172)
rде А вспомоrательный коэффициент, А == a1:,SH o (1 т) /W ш
1,. доли ед.;
u
'т среднее для верхнеи зоны печи отношение теплоемко
стей потоков шихты и rаза, доли еД.
Если пренебречь значением 11.t o , то получим упрощенную
рас етную формулу
l ' 1.-... tK' t m . к
' к тt ш . к
1 ехр ( А)
'А доли ед.
(173)
Для вычисления индекса i по этим зависимостям необходимы
надежные данные опараметрах заrружаемой шихты, комбини
pOBaHHoro дутья и колошниковоrо rаза. Поэтому дальнейшие
исследования были направлены на создание методики обработки
технолоrической информации синхронно с течением процесса и
u
на уточнение используемых закономерностеи.
Применение показателя i для анализа работы доменной
печи ЧерМЗ (рис. 80), опытной и больших доменных печей
НТМК 1[171] подтвердило высказанное ранее предположение об
13 Заказ Н!! 97
193
экстремальном характере зависимости между численным пока
зателем температурноrо поля печи и ее производительностью.
Комплексные исследования на опытной доменной печи НТМК
и БО время сухой выдувки печи объемом 1242 м З , орrанизован
ные НТМК и Институтом металлурrии УНЦ АН СССР, позво
лили уточнить мноrие закономерности теплообменных процессов
доменной плавки. Результаты обработки полученных дaHHЫXДO
'вольно подробно изложены в работах [71, 171]. '
Заслуживают серьезноrо внимания предложения П. Л. Мой
шелиса и др. [169] по определению теплоемкости потока ших
I='e r
,.
75
54
I! т/'I
56
55
0.6
0.7
0.8 [ н
, 48
Рис. 80. Зависимость производи:.
тельности 'доменной печи от тепло.
Boro состояния ее верхней зоны. pac
считанная по среднесуточным дан.
ным о работе печи HTMI( объемом
1242 м з за 6 мес:
1 3 октябрь. ноябрь и декабрь
1965, r. соответственно; 4 6 ян
варь, февраль и март 1966 r. соот.
ветственно
0.'+
0,6
о. 8 ["
Рис. 81. Зависимость количества
железа. BOCCTaHOВJIeHHOrO непрямым
путем, от тепловоrо состояния Bepx
ней зоны доменной печи HTMI(
объемом 1513. м З , найденная мето.
дом математическоrо моделирова.
ния
u
товых материалов, расчетам температурных полеи и вычисле
нию оптимальноrо значения индекса ,i (РИС6 81) 6 Впервые MeTO
дами математическоrо моделирования было доказано опреде
JJяющее влияние температурноrо поля верха печи на результаты
плавки и развитие основных восстановительных процессов.
Для отыскания необходимых и сравнительно простых COOT
.ношений, позволяющих по доступной технолоrической инфор а
ции определять технолоrические характеристики' 'rазовоrо цo
тока удельную теплоемкость C r , коэффициенты теплопровод
ности и кинематической вязкости 'Vr, были проанализированы
известные физические зависимости:
k
C r === C iX.i;
l ==1
Лr==+ [ fЛЙ l+ ( f: ) 1 ] ;
i ==1 . 1==1
k
V, == ( : ) 1 ,
t==-1
194
Xi объемная (мольная) доля i Toro компонента
..
rазовои смеси;
k число КОмпонентов rазовой смеси;
C .' Лi и "i молярная удельная теплоемкость, коэффици
..
ент:ы теплопроводности и кинематическои вяз
кости i Toro КОМПО!lента как функции темпе
ратуры и давления.
Для исследования этих сложных зависимостей методаМI:I CTa
I " ,
тистичеСКОrо моделирования были использованы собран'ные
н?ми , бо ьшие . массивы информации о работе доменных печей
НТМК, завода ИМ6 Дзержинскоrо и ЧерМЗ при выплавке пере
дельноrо чуrуна. расчетыI вели при условии" что температура
колошниковоrо rаза меняется об IЧНО в пределах от 100 до
400 0 С,- сумма рное содержание (СО + СО 2 ) составляет 38 45 о/о,
а содержан е водорода колеблетс;я 9Т 2 до 8 о/о.
При обработке' результатов получены следующие ypaBHeH
[ 1 72]: . , ' ' \
c r '== 1,28З+О,ООО214t к +(4,З+О,ОО73t к ) Х
" Х 10 3 СО 2 КД)К/(М 3 · ОС);
Лr (19,4+1,826Н2+0,О73tк) 10 З BTf(M . ОС);
'v;" (',,456f k +5,-14'Н 2 ------ 35,43) lO 7 м 2 /с.
4 _.,
, СОПQс:rавление контрольных расчетов по точным и упрощен
HЫ зависимостям показал о, что при изменении незаВИСИМЫN
переменных величин в указанных вьпце пределах ошибка вычис
ления коэффициента "r не превышает 1 о/о, а 'Значения C r И 'Ar
определены с поrрешностью около 0,4 О/О. Следова тел.ьно,ТОЧ '
.U !
ность предлаrаемых уравнении вполне приемлема для решения
б.ольшинствапрактических задач контроля и управления тепло
вым состоянием доменных, печей большоrо объема, о.борудован
u
ных современными средствами вычислительнои техники.
Найденная возможность определения теплофизических ха-
рактеристик rазовоrо потока в процессе 'обработки поступающей
информации о 'работе. печи позволила изменитр существующие
методы вычисления среднеrо значения cYMMapHoro объемноrо ко-
эффициента теплообмена av важноrо комплексноrо показа
теля. интенсивности теплообмена от rазов к шихте за счет пе-
редачи тепла конвекцией, радиацией и теплопроводностью. За
основу было взято критериальное уравнение
, , NU===kReo. 9 p/18,
которое может быть записано в виде соотношения
, с J /sл 2/811/8 ( V ) 0.9
!, Cl'l1 === 0,1005 r dO' vO.;7 60 Fd ВТ/(М 3 . ОС),
Ш r
rде Fd noBepxHocTb шарообразных кусков шихты; Fd==6x
Х (1 8) / d m м 2 .
rде
13*
"
(174)
"(175)
(176)
( 177)
( 178)
195
Если принять, что при работе доменной печи На 100 О/о офлю
COBaHHoro ar ломерата порозность слоя е оценивается величи
ной 0,4, то соотношение (178) преобразуется в искомую расчет
ную формулу
с l / а л 2 !s ( V ) Ot 9 ( t ) 0157
0." ===0,259 ; 1,/ .57 60S . 1 + 21з ВТ/(М 3 · ОС). (179)
Применение этоrо уравнения для обработки информации
о работе доменных печей объемом 1719 2700 м 3 завода им.
Дзержинскоrо и ЧерМЗ показало, что в зависимрсти от интен
сивности плавки и размера кусков шихтовых материалов значе
,ние коэффициента теплообмена изменяется от 1400 до
3100 Вт/ (м 3 . ОС). Сопоставимые данные, полученные друrими
исследователями, приведены в табл. 10.
Широкий диапазон изменения коэффициента CXv объясняется
e только применением принципиально различных способ в ero
определения, но и существенным влиянием на интен ивность
теплообмена таких факторов, как: объем печи (или эксперимен
Тальной установки), порозность слоя шихты И ее физико.хими-
, u
ческие своиства, па рам'етры режима дутья и MHoroe друrое, что,
к сожалению, не всеrда orOBopeHO при описании полученных
результатов. Можно лишь сделать вывод о том, что большин-
u ,
ство исследователеи Доменноrо процесса оценивают интенсив-
ность теплообмена в верхней зоне печи коэффициентом av ==
== 1 050 _ 6000 Вт/ (м 3 · ОС), точное значение KOioporo зависит оТ
конкретных условий плавки и требует поэтому систематиче
CKoro KO-НТрОЛЯ6
С целью совершенствования методики вычисления основных
комплексны nоказателей тепловоrо состояния верха печи было
, , u
предложено в качестве опорнои величины использовать не TeM
пературу rаза t o , а температуру шихтовых материалов t mo на
riринятой rранице раздела между зонами (см. рис. 79) 6 При та-
ком подходе сообщенный па,раметр температурноrо поля печи,
который будем обозначать индексом i B , находится по зависи
мости
Но
. i B == :ш :== t l н S t ш (H)dH доли еД6
. шо шо о О .
( 180)
Для преобразования этоrо исходноrо соотношения в удобную
расчетную формулу воспользуемся дифференциальным ypaBHe
нием
W ш (Н) dt; H) :==t:L v (Н) S It (Н) tш (Н) 1 (181)
и уравнением тепловоrо баланса для слоя высотой Н
(Н) 1 t (Н) tKI === w ш [t ш (Н)...... t ш . ],
(182)
196
ТАБЛИЦА 10
СОПОСТАВИМЫй АНАЛИЗ ИМЕЮЩИХСЯ ДАННЫХ О ЗНАЧЕНИИ CYMМAPHOrO
ОБЪЕмноrо КОЭФФИЦИЕНТА ТЕПДООБМЕНА a v
Исследователи
Ме т о ,"и ка И с сле 1То в а н и я Значение коэшФи-
"".... циента, вт/(ма.ос)
Лабораторные эксперименты. Опы 12 600
ты проводили при температуре
теплоносителя дО 1100°C, скорости
rаза O,6 1,8 м/с, размере кусков
4 70 мм
С. Фурнас
В. Н. Тимофеев
Теоретические расчеты:
без учета BHYTpeHHero теплово
ro сопротивления;
с учетом BHYTpeHHero тепловоrо
сопротивления
в. К. [рузинов,
ю. r. Ярошенко,
Б. И. Китаев и др.
Обработка экспериментальных дан-
ных об изменении температуры по
высоте' доменных печей двух за-
водов
А. В. Ченцов,
с. В. Шаврин и др.
Обработка экспериментальных дан-
ных об изменении температуры по
высоте доменных печей
Результаты промышленноrо экспе-
римента (метод «сухой выдувки»)
Е. Л. Суханов,
Б. И. Китаев,
С. А. 3аrаЙ'нов и др.
Расчеты по предлаrаемой формуле
(179) применительно К условиям
работы доменных печей объемом
1719 2700 м 3
С. В. Шаврин,
А. В. Ченцов и др.
Обработка экспериментальных
температурных кривых:
верхняя ступень теплообмена
НИ2Княя ступень теплообмена
Х. Беер,
Л. Диффенбах
и К. Хедден
Расчет для верхней ступени теп-
лообмена
17 100
8700
3320 5750
3320 6300
1918 3140
1400 3100
1 050 1130
2330 2910
2910
Принятые значения при построе
нии математической'модели:
для зоны плавления 4650
для системы rаз твердое тело 4400
Х. Масаюки и
М. Ивао
197
ИЗ KOToporo следует
, t (Н) ::=:tK m (Н) It ш (H) tw. xJ,
[де Н расстояние от уровня засыпи
мая переменная);
tm(H) и t(H) средние по сечению шахты печи темпера.
туры встречных потоков шихты и rаза на
высоте Н;
Wm(H) кажущаяся теплоемкость потока шихтовых
материалов на высоте Н, найденная с уче.
том влияния тепловых эффектов химиче.
ских реакций и фазовых превращений;
Wш(Н) и Wr(H) средние для рассматриваемой зоны печи
высотой Н кажущиеся теплоемкости пото.
ков шихты И rаза;
т (Н) отношение этих теплоемкостей;
CG v (Н) среднее значение cYM apHoro объемноrо
коэффициента теплообмена для зоны печи
ВЫСОТОЙ Н.
величины t(H) в уравнение (181) дает зави.
(183)
(независи.
Подстановка
симость
dt ш (Н) + (Н) S t (Н) [1 m (Н)]::=:
dH ,w ш (Н) ш ,
::=: (Н) S f t m ( Н ) t . ] .
w ш (Н) к ш. к
(184)
Численцое решение этоrо нелинейноrо дифференциальноrо
уравнения связано с большими трудностями и требует примене.
ния метода итераций. Во избежание rр моздких вычислений при
обработке технолоrической информации в темпе с процессом
воспользуе.мся общепринятыми СI:Iособами линеаризации и ос.
реднения сложных функциональных зависимостей CG v (Н) J
Wш(Н) и т(Н).
...............
Для линеаризации функции Wш(Н) применено известное со.
отношение .
,W ш (r/) ::=:0,5 [W ш (Н)+ w ш. к] Вт/ОС, (185)
причем значение Wm(H) рассчитаем, исходя из условий, что на
rранице раздела тепловых зон теплоемкости потоков шихты и
rаза равны, Т6 е. Wш(Н) == Wr(H). В этом случае среднее для
о u
верхнем зоны печи отношение теплоемкостеи потоков шихтовых
материалов и восстановитеЛЬН IХ rазов будет равно
т ==0,5 (1 W ш. K/W r ) доли ед., (186)
[де W r теплоемкость rазовоrо потока, принятая постоянной
по высоте шахты печи и равная
W r == C r V r Вт/ОС; (187)
198
W m . R теплоемкость потока шихтовых материалов на KO
лотнике печи при Н === О, рассчитанная по данным
об удельной теплоемкости и интенсивности заrрузки
отдельных компонентов шихты:
n
w ш . к сшtG Шi Вт/ОС. (188)
i == 1
Величина т, найденная по технолоrической информации
u
О ходе плавки, позволяет определить среднюю для верхнеи зоны
печИ теплоемкость потока шихтовых материалов:
Wш тWr Вт/ОС. (189)
. Заменив в дифференциальном уравнении (181) нелинейные
функциональные зависимости CG v (Н), W m (Н), т (Н) их cpeд
ними значениями и проинтеrрировав полученное выражение
в пределах от О дО Н, получим
, s
tш(Н)===Сехр[ ш (l m)H]+
t K тt ш . к
l m
,
( 190)
rде С постоянная интеrрирования, значение которой для
начальных условий Н == О и ш (О) == t m . R равно
с == (t K t ш . K)/(l т).
(191 )
При этом значении постоянной интеrрирования зависимость
(190) превращается в уравнение
tш(Н) tк тtш.к tк тtш.к ехрХ
. l m l m
х[ (1 т)H],
(192)
подстановка KOToporo в исходное соотношение (180) дает сле
дующее решение:
ls t K тt ш . к Н 1 О
t шо (1 т)
t к f ш. к Х
avS (1 т) Н
W Ш
НО
Х{1 exp [ (1 т)H]) 1.
(193)
Подставив пределы интеrрирования, получим
1
t K тf ш . к В (t K t ш . к) [1 ехр ( B)]
is== tшо(l т) доли ед., (194)
199
, r.де
в экспонента, характеризующая скорость HarpeBa шихто
вых материалов, рассчитываемая по зависимости
В a.vSHo (1 )
=== u7, т доли еД.
т r
(195)
Величина tmo определяется принятой технолоrией доменной
плавки и рассматривается как элемент настройки модели. Если
значение температуры t mo находить упрощенным способом по
сооТношению (192) при Н == Но, то уравнение (194) преобра
зуется в основную расчетную формулу
:', lк тt ш . к + (t K t ш . к) [l ехр ( В)]
i B === t K тt ш . к (t K {ш. к) ехр ( B) доли еД. (196)
Предлаrаемые расчетные формулы приrодны при tm.1\ > О
и стабильном rазораспределении, коrда изменение температуры
колошниковоrо rаза tl\ вызвано разоrревом или похолоданием
u . u
основ нои массы шихтовых материалов в верхнеи зоне печи J!ОД
влиянием определяющих теплотехнических факторов, точнее
вследствие изменения значений т и В. На тесной физической
связи переменных величин tl\, т и В основаны по существу все
рассматривае1v!,ые закономерности тепловой работы верха печи.
Для устранения поrрешностей, связанных с использованием
упрощенных предпосылок,- опробовали корректирующие коэффи
циенты при вычислении индекса температурноrо поля печи
, 1 в == iBkskH доли ед., (197)
rде ks коэффициент, учитывающий неравномерность азорас
пределения;
k H коэффициент, учитывающий нелинейность изменения
по высоте печи теплоемкости потока шихтовых матери
алов и коэффициента теплообмена.
п. л. Мойшелисом и др. [169] применительно к конкретным
условиям работы доменных печей НТМК были рассчитаны зна
чения корректирующих коэффициентов и предложена формула
( т .75 ) ' ( а. W ш ) 0.09
/B==O,791i B т 3 ,41 a. v : LlWшt к ДОЛИ ед.,
,
(198)
..
rде mр отношение теплоемкостеи потоков шихты и rазз
для кольцевой областирудноrо rребня (находится
по данным об изменении состава колошниковоrо
rаза по радиусу печи) ;
ДWш неучитываемое, при расчетах по уравнению (196)
изменение теплоемкости потока шихтовых материа
лов по высоте печи, Вт/ОС 2 ;
CX VR объемный коэффициент теплообмена на ypoBl;Ie за _
сыпи.
200
Значения i B и I B , рассчитанные по среднесуточным данным
о работе опытной доменной печи НТМI( за 17 24 мая 1965 r.,
сопоставлены на рис. 82. Эти исследования подтвердили экстре
u ,
ма ьныи характер зависимости между тепловым состоянием
верха печи м ее производительностью, но не выявили необходи
мости применения корректирующих коэффициентов. Поэтому
,U u
В дальнеишем для количественном оценки температурноrо поля
печи ИСПОЛЬЗ0вались более простые обобщенные параметры В
и i B , определяемые с помощью
формул (195) и (196). I!ке/ч
До проведения опытно про
u
мышленных испытании практиче
скую приrодность peKOMeHдye "00
мых обобщенных параметров м
u
комплексных показателеи оцени
вали методом ретроспективноrо
моделирования, . разработанным З50
применительно к особенностям
изучения доменноrо процесса.
Этот метод базируется на вычис
лении с помощью ЭВМ реализа
ций (BpeM,eHHbix характеристик)
..
исследуемых показателеи по за
данному алrоритму с использо
ванием собранных массивов ин
формации о ходе работы печи за
отдельные периоды со статистической обработкой результатов.
Для анализа сложных зависимостей обычно применяют сле
дующие статистические характеристики и функции:
1. Математическое ожидание переменной Xi, которая pac
u
сматривается как случаиная величина:
. 1
cJ2
0.58
,
Обб
,
0,74 ia.l[l
Рис. 82. Анализ экспериментальных
данных о ВЛИЯНИИ тепловоrо СОСТОЯНИЯ
верхней зоны опытной доменной печи
НТМI( на ее производительность:
1 зависимость РНв); 2 зависимость
P(IB)' Цифры на КРИВОЙ даты
. .
, 1 п
тx=== n X i ,
i == 1
rде п объем выборки исходной информации (обычно исполь
зовались выборки, объединяющие данные о среднечасо
вых показателях работы печи за 3 5 суток ее pa
боты) .
2. Дисперсия степень рассеивания отдельных значений пе
ременной величины относительно ее математическоrо ожидания
( 199)
1 п
Dx === 1 (Xi mx)2.
n i==l
3. Среднеквадратичное отклонение переменной величины от
ее математическоrо ожидания
ах==:; 1 / пх .
(200)
(201)
201
4. Коэффициент вариаЦИИ t являющийся безразмерной мерой
разброса переменной величины:
'V х == ;: 1000/0_
(202)
5. Коэффициент парной корреЛЯЦИИ t характеризующий CTe
u u
пень линеинои связанности двух переменных величин Xi и Yi:
1 п
r ху == (п 1) о' о' (Xi тX) (Yi тy)-
х у i ==1
(203)
6. Выборочная нормированная центрированная автокорреля
ционная функция (АКФ)
п
I (Х ; т х ) (Xi 1: т х )
r х ('t) === n "с 1 0'2 '
i==1 х
(204)
rде т время сдвиrа при вычислении ФУНКЦИИ t ч.
7. Выборочная нормированная центрированная взаимно KOp
реляционная функция (ВКФ)
'1 п
,r ху ('1:) === (п "с 1) аха у i l (Х ; т х ) (У; 1: тy), (205)
rде 't' время сдвиrа, равное Ot + 1, + 2 t -. -t ч.
Практическое значение обобщенных параметров верхней
зоны В и i B наиболее целесообразно оценивать по степени влия
ния теплотехнических .факторов на развитие процессов непря
J
Moro восстановления и rазодинамики шахты печи, определяю
..
щих интенсивность плавки и перепады давлении по высоте печи.
XapaK epHыe ВКФ дЛЯ рассматриваемых зависимостей при
ведены на рис. 83. Значение общеrо ДР'1:.t BepXHero ДРВ и ниж
Hero дрн перепадов давления взяты по данным автоматическоrо
КОНТРОЛЯ t а производительность печи оценивается по интенсив
ности заrрузки Р Ш . р И скорости rазификации уrлерода кокса PPt
u
методика вычислении которых приведена ниже.
Проводимые результаты статистическоrо моделирования BЫ
явили достаточно надежные взаимосвязи между тепловым co
стоянием верха печи и основными показателями ее работы. Най
денные взаимно корреляционные функции (ВКФ) отчетливо
..
показываЮТ t что переrрев верхнем зоны печи сопровождается па
дением ее производительности и ведет к росту как BepxHero, так
и общеrо перепадов давления. Обнаруженные зависимости под
u u
тверждаются практикои ведения доменнои плавки и COOTBeTC
вуют существующим представлениям о закономерностях TeXHO
лоrическоrо процесса.
202
Характер ВI<Ф взаимосвязи i B ДРi (СМ6 рис. 83, б) пока
зывает, что 'рgзвитие тепловых процессов предшествует измене
нию перепада' давлений по высоте печи (экстремум функции
r Ху (f)
"
0,2
0,1
0,5
о.б
,
o 7
,
, i8 Р р
, а
l/ IJPi
5
РИс. 83. Взаимно корреJIяционные ФУНКЦИИ,описывающие взаи
мосвязь между обобщенным параметром i B . производительностью
печи и перепадом давлений по ее высоте, рассчитанные по ин
формации о работе доменной печи объемом 2700 м З ЧерМ3:
1 за 1 4Д 1972 r.; 2 за 14 181I 1972 r.; 8 за 15 191I 1973 r.
" .
.i'
сдвинут вправо примерно на 2 ч) 6 Поэтому контроль за величи
U . .
,нои индекса t B позволяет проrнозировать ХОД печи и СБоевремен...
но определять критические условия, связанные с опасностью
BepXHero подвисания.
3. КОМПЛЕКСНЫЕ ПОК.АЗ.А ТЕЛИ ТЕпловоrо
СОСТОЯНИЯ НИЖНЕАЗОНЫ ПЕЧИ
Как было отмечено, для анализа хода плавки и количественной
оцецки тепловоrо состояния нижней зоны печи разработана си
.
сте:ма комплексных показателей V r , f)H 2 ,' Т ф, Рпод, gH, qr, Р р , r d,
Qp И i и , которые можно определить, используя известные физи
ко химические и балансовые соотношения доменноrо процесса.
При о,!боре наиболее представительныIx обобщенных параметров
и совершенствовании методов их вычисления в темпе с процес..'
сом учтен опыт наших предшественников по алrоритмизации до-
MeHHoro ПрОИЗБодства, также требования и реальные возмож-
ности современных автоматизированных систем управления дo
менными печами (АСУ ДП).
Балансовые методы расчета комплексных показателей xo
..
рошо известны, принципиальных разл<ичии в целом не имеют и
БО MHoroM схожи. Все они основаны на идеализированных дe
терминированных моделях установившеrося состояния технолоrи
ческоrо процесса в расчете на вполне достоверные исходные
данные. При этом используют, как правило, удельные балансо.
203
вые показатели, отнесенные к 1 т чуrуна, 1 Kr или 1 м 2 KaKoro
либо элемента, т. е. реальные показатели плавки при этом не
учитывают. Существующие алrоритмы вычисления комплексных
показателей излишне rромоздки (СМ. табл. 9) и не приспособ
лены для обработки зашумленной информации в реальном Mac
штабе времени.
Особенность предлаrаемои системы контроля состоит пре
u u
жде Bcero,B том, что, в соответствии с принятои концепциеи про
текания Доменноrо процесса, тепловое состояние Bep a и низз
печи оценивается с помощью независимых обобщенных пара
метров. Для расчета этих параметров в темпе с процессом най
дены сравнительно простые, но более надежные способы MaTe
матической обработки основной технолоrической информации.
1( ней отнесены все автоматически контролируемые величины и
данные лабораторноrо анализа шихтовых материалов, которые
вводятся ,в ЭВМ вручную. Все остальные сведения о физико
химическ х свойс вах шихты, расходе топлива и общих усло
виях работы печи (Bcero около 140 переменных величин) KOH
центрируются в памяти машины и используются лишь для пе
u u
риодических уточнении параметров настроики модели.
Введение параметров настройки модели позволило анализи
ровать всю доступную информацию о ходе плавки без УСЛО)I{
нения методики основных расчетов в темпе с процессом, а также
придало системе контроля свойства адаптации (приспособляе
мости) к постоянно изменяю,ЩИМСЯ условиям работы печи. Пе
..
рестроика системы может осуществляться с некоторым опере
жением при вводе в УВМ данных о предстоящих изменениях
уровня за сыпи, давления на колошнике, шихтовки или друrих
те нолоrических факторов. .
,L(руrая характерная особенность этоrо способа обработки
технолоrическои информации заключается в том, что при опре
, u
делении комплексных показателеи тепловоrо состояния низа
печи учитывают фактическую, интенсивность плавки и ее изме
нения. Это избавило от необходимости использовать предпола
raeMbIe состав чуrуна и параметры колошниковоrо rаза, как
было принято при применении балансовых и итерационных Me
тодов В Iчислений. Найденное решение повысило достоверность
оценки и проrноза хода плавки при обычных нестабильных yc
ловиях работы печи.
Знакомясь с Н9ВОЙ методикой, следует иметь в виду, что она
разработана применительно к современной технолоrии доменной
плавки, основанной на применении 100% офлюсованноrо аrло
мерата, окатышей, природноrо rаза и BbIcoKoHarpeToro дутья,
обоrащенноrо кислородом. Цифровые коэффициенты расчетных
формул, если это особо не oroBopeHo, найдены для конкретных
условий работы доменных печей объемом 1719 2700 M aBoдa
им. Дзержинскоrо и ЧерМЗ, на которых были проведены OCHOB
ные исследования и собраны исходные данные.
204
Расчет обобщенных параметров Qp и i и построен на анализе
тепловоrо баланса нижней зоны печи, который для идеализиро
u
ванных условии плавки можно "записать в следующем виде:
QIJ + Qш Qd Qэл::::= Qпл+ QПОТ КДЖ/Т чуrуна, (206)
rде Q суммарный приход тепла в нижнюю зону печи от
..
сжиrания кокса и природноrо rаза, рассчитанныи
с учетом влажности дутья и изменения теплосодер
жания rазо воздушноrо потока, а также затрат
тепла на разложение уrлеводородов;
Qw физическре тепло шихтовых материалов при темпе
ратуре t mo ;
Qd затраты тепла на прямое восстановление железа;
Qзл затраты тепла на восстановление кремния, Map
, rа ц , фосфора и друrих элементов;
Qпл удельная энтальпия продуктов плавки, включая
теплоту плавления чуrуна, за вычетом тепла образо
вания шлака;
Qпот потери тепла в окружающую среду через фурмен
..
ныи пояс, З8плечики и распар.
етодика вычисления отдельных статей тепловоrо баланса
по формуле (206) достаточно подробно изложена в опублико
J;3анной ранее работе [89]. Правая часть этоrо уравнения, KOTO
рую обозначим через Qопт, определяет оптимальные затраты
тепла, требующиеся для выплавки 1 т чуrуна заданноrо состава
при существующих конкретных условиях работы печи. По '
кольку учесть все действующие факторы трудно, то ориентиро
вочное значение величины Qопт, которая является параметром
настройки модели, может быть найдено по уравнению [89]
QОПТ == [0,69 (t ч 25)+ 295] 103 + ш сш tш
Qобр. ш+226500 [Si]з+ 52 250 (Мп]з+
d
+263000 [Р Jз+ 104 500 ;ОРН кДя{!т чуrуна, (207)
, сут
rде t ч и t w температура чуrуна и шлака на BpI
пуске, ОС; .
Ш удельный выход шлака, Kr/T чуrуна;
С т средняя удельная теплоемкость шлака,
кДж/ (Kr. ОС);
Qобр. т теплота образования шлака кДж/т
чуrуна;
[Si]з" [ n]з и [Р]з заданные содержания соответственно.
кремния, марrанца и фосфора в чу
rYHe, О/о;
,р сут суточная производительность печи,
Tы.. т/сутки;
d roPH диаметр ropHa печи, М.
205
Левая часть балансовоrо уравнения может быть рассчитана,
. и поэтому ее обозначим символом Qp. Аналитическое выраже
ние для определения этоrо обобrценноrо параметра по техноло
rической информации о ходе и условиях плавки целесообразно
../'
представить в виде зависимости
Qp=== r +Qш 31 750Feord 24600 кДж/т чуrуна, (208)
р
rде qr суммарная мощность тепловоrо потока, посту..
пающеrо в нижнюю зону' печи (без учета влия
ния физическоrо тепла шихтовых материалов),
кДж/мин;
Р р найденная расчетом минутная производитель..
ность печи, т чуrуна{мин;
Feo содержание железа в чуrуне, за вычетом метал-
лодобавок, О{о;
rd степень прямоrо восстановления железа, доли ед.;
24 600 коэффициент, учитывающий расход тепла с ra-
зами, которые образуются при восстановлении
кремния, марrанца, фосфора и друrих элемен
тов, кДж{т чуrуна6 "
Значение параметра Qp, автомАтически рассчитываемоrо по
достаточно надежной информации, отражает совместное влия"
ние всех контролируемых теплотехнических факторов на ход
плавки, что позволяет оценивать TeKyrцee состояние процесса и
проrнозировать ero развитие. Об отклонениях от заданноrо ре..
жима можно судить, если известно достоверное значение вели':
чины QOllT6 Для количественной оценки стабильности тепловоrо
режима используется соотношение
[н === Qр/Qопт доли ед., (209)
которое известно как индекс тепловоrо состояния низа печи
:f89].
Используемые при этих расчетах промежуточные комплекс..
ные показатели находят по зависимостям
Qш=== \ ШО iскКп+ёр(Ап+Оп+!ДШ КДЖ/Т чуrуна;
(21 О)
(211 )
Р п , еаАп+екКп+еоОп+ед Д КпПп т/подача;
qr==-(СN,tд C N2to) VN2+( с оiд 2ссоtо+ 10500) Vo,+
+ [ё"Н 2 0t д 4, 1t o (1 О,О96'У]н 2 ) 5540 (1 + 0,2'У]Н 2 )] v Н 2 О.......
6912 (1 +0, 411 "'lH 2 ) V п . r кДж/мин.
(212)
При современной технолоrии доменной плавки и обычных
условиях работы доменных печей большоrо объема рассматри"
206
ваемые уравнения преобразуются в следующие упрощенные pac
четные формулы:
Qш== l( шо (l,41К п +О,87 (Ап+О п )) КДЖ/Т чуrуна; (213)
Рп===еаАп+О,01Кп+О,620п О,53Пп т/подача; (214)
qr===(1,4tд 1219) VN z +(1,5t д +7924) v 02 +
+I2,11tд 9312 (1 +0, 158'YlHJ)J VHJO .
----6912 (1 +0, 411 "'lH 2 ) V п . r' кДж/мин,
(215)
['де Кп, А п и ОП масса cyxoro кокса, аrломерата и OKaTЫ
шей в подаче, т/подача;
ПП вынос пыли, т/подача;
,Рп выход чуrуна из подачи, т/подача;
u
е а выход чуrуна из, аrломерата, определяемыи
., по методике А. Н. 'Рамма, Kr/Kr;
t д температура дутья, ОС;
f)И 2 степень использования водорода, доли еД6;
V п. r расход природноrо rаза, мЗ/мин;
. V NJt V 02 И V иJо рассчитываемые расходы азота, кислорода
и паров воды, поступающих в печь с дутьем,
М З /МИН6
ДЛЯ расчета комплексных показателей Р р и rd предложены
различные способы [133, 139, 145], основанные на решении ба
лансовых соотношений доменной плавки. С физической точки
зрения все эти методы совершенно равнозначны, но применение
этих сцособов для анализа реальных условий работы печи,
коrда установившееся состояние процесса практически недости
u ..
жимо, а влияние неконтролируемых В.оздеиствии существенно,
результаты расчета получают различные.
Чтобы найти наиболее надежные приемы обработки техноло
rической информации для определения показателей Р р и rd,'
были использованы методы ретроспективноrо моделирования
, с использованием больших массивов исходных данных о работе
доменныix печей. Критерием приrодности "анализируемых MeTO
дик служили ВКФ, описывающие взаимосвязь между рассчиты
ваемыми величинами и .основным технолоrическим показате
лем содержанием кремния [Si] в чуrуне на выпуске. При TOM
учитывали, что хотя концентрация кремния в чуrуне и отражает
совместное влияние мноrих факторов, включая случайные воз
действия, но характер изменения величины [Si] во времени
Бсе же позволяет судить о стабильности или тенденции измене
ниSJ тепловоrо режима работы печи.
,Самая. простая методика расчета величины Р р ос.нована на
использовании информации об интенсивности заrрузки шихтовых
, I . .1
207
материалов и их химическом составе. Для вычислений исполь
зуют формулу
,
Рр==Рп/'t п Т чуrуна/мин, (216)
rде 'Т п интервал времени между очередными подача'ми, мин.
Анализ полученных данных показал, что надежны резуль
таты можно получить лишь при стабильном уровне засыпи и
ровном сходе шихтовых материалов, а поэтому применение фор
мулы (216) весьма оrраничено.
Производительность доменной печи может быть' найдена по
балансу rазифицируемоrо кислорода шихты. При работе печи
'на шихте, содержащей 100% rломерата, расчет ведут по зави
симости
Р р . 02 ==Ош/ 8 т чуrуна/мин,
(217)
rAe От количество отнятоrо от шихты кислорода, определяе
мое по балансовому уравнению '
Ош === V co2 +O,5 (V co + V r . н 2 о)....м. V 02 OJ5 V н : ю м 3 /мин; (218)
б количество кислорода, связанноrо с окислами
шихты, рассчитываемое по известным соотноше
ниям [89], м 3 /т чуrуна;,
V r . Н 2 количество водяных паров, которые образуются по
реакциям непрямоrо восстановления, мЗ/мин.
'Особенность рассматриваемой методики заключается в том, что для
определения комплексноrо показателя Р р. 02 Не нужны сведения о количестве
заrруж.аемых шихтовых материалов. Рассчитываемая величина довольно
надежно отражает изменение восстановительной, работы rазовоrо потока во
всем объеме печи, а это не позволяет использовать параметр Р р 02 для
оценки развития доменноrо процесса в пределах только нижней зоны печи.
Для расчета показателя Р р можно также воспользоваться уравнением
баланса tазифицированноrо yr лерода кокса, записав ero в следующем виде:
22,4 ( )
V co + V CO ! == 12 gKP p + с V п . r.
(219)
Преобразование этоrо выражения дает искомую зависимость
Р VСО+VСО2 ( С )Vп.r
р 1,867g x т/мин,
(220)
тде (С) суммарное содержание rазообразноrо уrлерода в природном rазе,
м 3 /м 3 ;
gR удельный расход уrлерода кокса, за вычетом переходящеrо
в чуrун уrлерода, Kr/T чуrуна.
Уравнение (220) достаточно полно отражает развитие процессов rази
фикации уrлерода кокса в области высоких температур, что позволяет исполь
зовать рассчитываемый показатель для контроля тепловоrо состояния нижней
зоны печи. В этом' случае для повышения достоверности результатов обра
ботки технолоrИ1Jеской информации полезно учитывать динамику з.менени
состава шихтовых материалов, хотя при работе печи с постояннои 'руднои
наrрузкой это обстоятельство не имеет существенноrо значения.
208
Наиболее известный способ определения степени прямоrо восстановления
r d связан с применением эмпирической зависимости, предложенной А. Н. PaM
мом [133]:
р == 1 ,45Rd 0,06, (221)
('де
R d индекс прямоrо восстановления, рассчитываемыЙ по балансу кис-
лорода:
Rd == Vco+Vc02 2V02 VH2.0
V 2У 2V V доли ед.;
V со + r. Н 2 О + · СО 2 02 Н 2 О
(222)
1,45
и 0,06 числовые коэффициенты; учитывающие использование кислорода
окислов Si0 2 , МпО и Р205 при развитии реакций
8102 + 2С ....... 81 + 2СО; М.nО + С ....... Mn + СО;
2Р 2 О 5 + 10С .......4Р + 10СО.
Друrая методика вычисления обобщенноrо показателя r d основана на
использовании баланса rазифицируемоrо уrлерода кокса, она представлена
Б виде баланса уrлерод кислород:
, , q
v со + v С0 2 == 2V 02 + v Н 2 О + v со + V со' (223)
,
{'де V CO количество окиси уrлерода, которое образуется по реакциям пря
Moro восстановления железа, равное
V O == 2;64 Рео. 10Pprd 4PpFeord м3/мин;
1, .
v CO количество окиси уrлерода, которое образуется по реакциям вос-
становления SiO, МпО и Р205, равное
" ( 5 2 1 )
V со == 22,4 6 10Р р 31. 2 [Р] + 28 [8i] + 55 [Мп] ==
224Р р (0,081 [Р] + 0,075 [51] + 0,018 [Мп]) М3/МИН.
, "
После подстановки значений V СО и V СО в уравнение (223) и необходимых
-преобразований нами получено:
V со + V C02 ':""'" 2V 02 V Н 2 О
r d == 0,25 F Р
ео р
4,53 [Р] + 4,01 [81] + 1,04 [Мп]
Рео
(224)
При обработке технолоrической информации о работе печи, Вblllлавляю
щей передельный чуrун с содержанием [Si] 0,6, [Мп] 0,2 и (P] O,Ol, зави
симость (223) может быть представлена в виде упрощенной расчетной фор-
мулы
V со + v СО! 2V 02 . V Н 2 О
r d == 0,25' 0,03 доли ед. (225 )
РеоР р
Проверка этой зависимости показала, что при изменении содержания
кремния [Si] в передельном чуrуне от 0,2 до 0,8% поrрешность вычисления не
превьшiает 0,009 единиц измерения r d.
Таким образом, для нахождения обобщенных показзтелей тепловоrо со-
стояния низа печи приrодны два основных варианта расчетов: '
14 Заказ N!! 97
209
I
v---
1) использОванием уравнений, \ основанных на балансе кислорода.
тепловоrо состояния нижней зоны доменной печи рассчитывается'
случае по уравнению
. 1 ( qr )
l Н. 02 == Q Р + Qш 31 750Реор 24600 доли ед.;
опт р.02
2) использованием уравнений, основанных на балансе rазифицируемоrо
уrлерода кокса (балансе уrлерод кислород). При таком подходе к решению
задачи индекс i п вычисляется из уравнения (227)
i и " " Q 1 ( r + Qш 31 750Feor d 24600 ) ' доли ед. (227)
, от р ,
Индекс
в этом
(226)
l(ля сравнительной оценки рассматриваемых вариантов расчета методами
статистическоrо моделирования была использована собранная нами информа-
ция о работе доменной печи объемом 1719 м 3 завода им Дзержинскоrо за
15 20 января 1969 r. и доменной печи объемом 2700 м 3 ЧерМ3 за 14 18 ян-
варя 1973 r. '
rxljlrJ
0,4
2
Q4
0,2 o,z
.
о о
. o.2 а o,2 о
,
о 4 8 О 8 16
[. 8ыljcJ-<< 1:. Ч
Рис. 84. Взаимно корреляционные функции, рассчитанные по ин- '\
формации о работе доменной печи N!! 7 завода им. Дзержин-
cKorO за 15----20/1 1969 f. (а) и доменной печи объемом 2700 м З
ЧерМ3 за 14 18/1 1972 f. (6):
1 зависимость i О ISII; 2 зависИмость i п [Si]
н. 2
Близкое совпадение найденных ВКФ (рис. 84) подтвердило надежность
вычисления обобщенных показателей обоими методами, причем результаты
расчетов вторым методом (с использованием балансовых уравнений уrлерод
кислород) несколько теснее связаны с содержанием кремния [Si] в чуrуне на
выпуске. Это объясняется тем, что параметр i и в большей степени, чем индекс
i H О отражает развитие тепловых процессов в нижней зоне печи, полнее
. 2'
учитывает изменения режима заrрузки и оказался менее чувствительным
к таким rрубо измеряемым параметрам, как содержание кислорода в дутье
О>Д, расход дутья V д и состав колошниковоrо rзза.
Результаты дополнительноrо анализа уравнения (227), предлаrаемоrо
для оценки тепловоrо состояния нижней зоны доменной печи, представлены
на рис. 85. Характер ВКФ соотношений Р р [Si], rd [Si] и i и [Si] rоворит
о стабильности этих зависимостей и опережаЮIЦем влиянии теплотехнических
факторов на развитие восстановительных процессов. Выявленные закономер-
ности физически вполне объяснимы и подтверждают сущеСТВУЮIЦее мнение
о том, что интенсивность плавки (Р р ) и развитие реакций прямоrо восстанов-
ления (rd) сильнее влияют на конечный состав чуrуна, чем те факторы,
210
которые оценивают с помощью показателей qr И Qm (для этих параметров
коэффициенты корреляции с величиной [Si] не превышают 0,4).
Результаты последующих опытно промышленных испытаний алrоритма
УПИ на доменной печи ЧерМЗ объемом 2700 м 3 подтвердили преимущества
новой методики обработки технолоrической информации, основанной на ис
пользовании балансовых соотношений уrлерод кислород. Это позволяет
рекомендовать вычисление комплексных показателей Р р , rd, Qp и i и по ypaB
нениям (220), (225) и (227) для количественной оценки тепловоrо состояния
нижней зоны печи.
Наличие вполне определенных и стабильно наблюдаемых экстремумов
на кривых взаимнокорреляционных функций зависимостей Р р [Si], Qm [Si],
r d [Si] и i и [Si] (СМ. РИС. 85) rоворит о необхо!J.ИМОСТИ и принципиальной
o. 2
,
о.з
,
o."
,
a5
I
'н [Si]
/ '\
1/
J \
I
4 J О 4 8 1:'1
,
/
,
Ош [Si]
2
r XIj (f)
Pp [SiJ
ra{sO
а
,15
8
р'ис. 85. Взаимно корреляционные функции (а...:.....е). характеризующие связь
между обобщенными параметрами тепловоrо состояНия нижней зоны печи и
содержанием кремния в чуrуне на выпуске, рассчитанные по информации О ра-
боте доменной печи Х2 4 Череповецкоrо металлурrическоrо завода:
1 за l.....-.4,NIII 1972 r.; 2 за б-----lОNIII 1972 r.; 3 за 15 17/I 1973 r.
возможности учета динамики и последовательности развития основных про
цессов доменной плавки при вычислении индекса тепловоrо состояния низа
печи i и . Это замечание относится и к некоторым друrим комплексным пока
зателям, рассчитываемым по методике УПИ или иным детерминированным
(балансовым) моделям доменноrо процесса.
Один из экстремумов, соответствующий сдвиrу во времени около 2 ч,
объясняется тем, что развитие восстановительных процессов в средней зоне
печи, определяющих в основном состав rазовоrо потока, влияет на тепловое
СОСТОЯН,ие низа печи с запаздыванием. Друrой экстремум на кривых ВК Ф,
соответствующий сдвиrу во времени, равному 6 10 ,ч, обусловлен инерцион-
ностью влияния изменений в составе шихты или режиме заrрузки на характер
температурноrо и концентрационноrо полей в отдельных объемах печи.
Появление при статистической обработке одних выборок информации
максимумов, а в друrих случаях минимумов на кривых ВК Ф связано, ви
димо, с направлением действия возмущающих факторов. Противоречивость их
влияния и демпфирующие свойства столба шихтовых материалов весьма за;.
трудняют анализ хода доменной плавки с помощью сложных комплексных
показателей, описывающих процесс в целом.
Для учета реальной нестационарности доменноrо процесса
приrодны известные методы динамической коррекции [174]6
В отличие от опробованных ранее способов [175, 176] предло.
жено использовать приемы сrлаживания и сдвиrов во времени
14*
211
не при обработке пеРВИЧ!lЫХ данных, а на завершающем этапе
вычисления обобщенных параметров по предварительно рассчи
танным комплексным показзтелям, которые характеризуют раз
Битие тепловых и восстановительных процессов по высоте дo
..
меннои печи.
Новый подход к решению рассматриваемой задачи позво
ляет учитывать естественную последовательность протекания
., .,
отдельных стадии доменнои плавки,
не требует каких либо изменений
в системах сбора и первичной об
работки технолоrической информа
ции и, что не менее важно, весьма
существенно сокращает объем BЫ
числений при отыскании коэффи
циентов настройки блоков динами
ческой КОRрекции. Выбор коэффи
циентов основан на анализе ВКФ
Bcero лишь 3 5 промежуточных
комплексных показателей,динамика
изменения которых определяет зна
чение Ьбобщенноrо параметра.
Предлаrаемый рациональный
метод динамической коррекции оп
робован при вычислении индекса
тепловоrо состояния низа печи по
формуле (227).
Для расчета промежуточных па
раметров qr, Р р , Qш и ,д исполь
зу ют подверrнутую первичной О,бра
ботке технолоrическую информа
цию, которую при обычных расче
тах отбирают за определенный, об
u
щии ДЛЯ' всех переменных величин
,отрезок времени. При такой методике вычислений индекса i п
значени ВКФ основной зависимости iH [Si], найденные по
информации о работе доменной печи Чер З объемом 2700 м 3
.за 1 4/VIII 1972 r., представлены на рис. 86 пунктирной кри
.БОЙ. Эта К р ивая имеет два максим у ма '{' == 0 , 32 и r" === 0 , 38
, ху ху-
при времени сдвиrа '{' == 2 и 'С" === 8 ч.
, Рассматриваемый метод динамической коррекции основан на
вычислении промежуточных параметров по информации, собран
ной с разным временем, сдвиrа (опережением) по отношению
к моменту расчета обобщенноrо параметра, а также на релейно
экспоненциальном сrлаживании полученных результатов." Зна
u
чения отдельных промежуточных показателеи предлаrается Ha
ходить по зависимости
Iн [Si]
4 О
4
o. 2
о.з
O,4
Рис. 86. Взаимно корреляционные
.функции взаимосвязи iH [Si], pac
считанныIe по информации о работе
доменной печи N!? 4 Череповецкоrо
металлурrическоrо завода за 1
4.08.72 r. Характеристики при BЫ
'числении параметра i п обычным
-способом показаны пунктирной ли
.нией, при использовании метода
.динамической корреляции сплош-
,ной линией
'"'-' ........
Х j ('t j) == а jX j ('t j 1) + (1 а j) Х j ('t j),
212
(228)
rде
aj коэффициент релейно экспоненциальноrо сrла
живания результатов вычисления j Toro проме
жуточноrо показателя;
1:j принятое время сдвиrа при расчете j-Toro пока
зателя, ч;
Хз(1:з) значение j Toro показателя, найденное по рас-
четной формуле используемоrо алrоритма обра-
ботки информации;
,..."
Xj (1:j) сrлаженное значение показателя;
,..."
Хз(1'; 1) сrлаженное . зизчение показателя за предыду-
щии цикл вычислении.
Переменные величины а; и 1:; являются параметрами Ha
стройки релейно-экспоненциальноrо фильтра, значения которых
находят по положению экстремумов на кривых ВКФ анализи-
руемых зависимостей. При обработке собранных массиВ'ов ин
формации о работе доменной печи ЧерМ3 объемом 2700 м 3 за
[5 П, %
. lff
.
· 12
...... 7
0,8
.
.
....
.
.
.
1,0
0,4
0,8
о 16 12 ' 48
("
,
Рис. 87. Взаимно корреляционные функции
iH [Si]
взаимосвязи
1 4NIII 1972 r. (см. рис. 85) при вычислении промежуточных
показателей qr, r d, Р р И Qш время сдвиrа l' j оказалось равным
О, 2, 7 и 9 ч соответственно при коэффициенте сrлаживания
а; == 0,75.
Результаты вычислений представлены на рис. 86 и 87. Видно,
что максимальная величина коэффициента корреляции 'ху co
отношения i п [Si] при использовании метода динамической
'коррекции выросла с 0,38 до 0,68, т. е. почти вдвое. На кривых
ВКФ появился один общий максимум, соответствующий времени
сдвиrа, равному ,....., 2 ч. Это свидетельствует о возможности
проrноза содержания кремния в чуrуне на очередном выпуске
по характеру изменения ИНДекса i ll , а также о необходимости
..
применения малоинерционных управляющl,IХ воздеиствии
«снизу» при стабилизации тепловоrо режима в средней и ниж
..
неи зонах пеЧИ6
213
Таким образом, проведенные исслеДования позволили разра
ботать систему наиболее представительных й надежно рассчи
тываемых в темпе с процессом комплексныIx показателей тепло
Boro состояния верха и низа доменной пеЧИ6 Приrодность 'этих
обобщенных параметров для решения практических задач KOH
троля и управления подтверждена результатами ретроспектив
Horo моделирования с использованием больших массивов ин
формации и опытно промышленных испытаНий на печах боль
шоrо объема.
4. ИНФОРМАЦИОННО.УПРАвпЯЮЩАЯ МОДЕJlЬ
ДОМЕнноrо ПРОЦЕССА
,
Практическая значимость исследований, посвященных решению
проблемы упраВJ1ения ДOMeHH M процессом, особенно выросла
в связи с разработкой и внедрением современных АСУ ДOMeH
ными печами объемом 3200 5580 'M , оборудованных наиболее
"... ..
совершеннои аппаратурои и средствами вычислительнои Tex
ники. К этой. актуальной тематике привлечено сейчас внимание
мноrих проеКТН.О, исследовательских орrанизаций как в СССР,
так и за рубежом. : , ;
Систему управления доменной печью по; функциональному
назначению ее QТД ЛЬНЫХ узлов можно 'подра;зделить на ряд
подсистем : " i .,' _. '
1. Подсuст'ема контроля'u управления работой доменных воз..
духонаzревателей, которая обеспеч вает нор альную и безава
tJ. "1 U
рииную эксплуатацию воздухонаrревателеи цри последователь..
ной и попарно параллельной их работе; осуществляет их авто..
матическое -переключение и стабилизирует температуру rор:Ячеrо
дутья. Применение разрабатываемой ВНИИМТом и УПИ мате..
. ..
матическои модели позволит решать вопросы оптимизации теп-
ловоrо и аЭрОДИН,амическоrо режимов мощных воздухонаrрева-
u u а'
телеи с выноснои камерои rорения.
2. Подсистема КОНТрОЛЯ u уnравленця' заерузкой доменной
печи осуществляет заданную проrрамму дозирования, подачи и
распределения шихтовыIx материалов на колошнике печи. При-
менение УВМ позволяет исправлять ошибки дозирования и aB
томатически корректировать рудную наrрузку по информации '.
об изменении влажно ти кокса или химическоrо состава желе
зорудных материало1З. Необходимость использования вычисли-
тельной техники обусловлена также особенностями заrрузки
печи' при транспортерной подаче шихты на колошник и исполь-
зовании HOBoro засыпноrо аппараТа фирмы «Пауль Вюрт».
3.Подсистема КОНТрОЛЯ и управления доменным процессом,
(рис. 88) является основной и реализует автоматизированные
способы ведения, плавки, включающие поиск оптимальноrо теп-
ловоrо, ш,лаковоrо и rазодинамическоrо режимов работы печи,
определение потребноrо состава шихты и параметров дутья, их
214-
автоматическую стабилизацию на выбранном уровне, проrноз
хода плаJaКИ при существующих или измененных способах уп
равления, а также анализ всей поступающей информации для
..
оценки технолоrическои ситуации в целом.
Целью управления. доменным процессом является поддержа
"
ние основных количественных и качественных показателеи
плавки (производительность печи, удельный расход кокса и хи
мический состав чуrуна) в пределах допустимых отклонений от
оптимальных или установлен
, ных значений. Это,осуществля
ется В'ыбором и применением
рациональноrо комплекса KOp
.. ..
ректирующих воздеиствии
«сверху» И «снизу» В зависимо
u
сти от сложившеися техноло
..
rическои ситуации, наличия
энерrетических ресурсов и Tex
нико экономических сообра
..
жении.
Критериями управления
служат величины [Si], ,[S] и t ч ,
значения которых определяют,
исходя из конкретных требо
..
вании, предъявляемых про
дуктам плавки (их назначений
..
или условии сталеплавильноrо
передела). Наилучших техни
u
ко экономических показателеи
достиrают лишь при ровном
ходе плавки равномерном
сходе шихтовых материалов,
стабильном rазораспределении
и температурном поле печи.
Задачу оптимизации ДOMeH
..
нои плавки предлаrается решать путем отыскания наивыrод
..
неиших для развития восстановительных процессов темпера
.. .. u
турных условии не только в нижнеи, но и в верхнеи зонах печи
(см. рис. 79). Тепловое состояние обеих этих зон рассма.'rри
вается как один из основных факторов" определяющих количе
ственные и качественные показатели плавки.
Математическое описание тепловоrо режима печи требует
учета влияния около 150 переменных, недостоверности отдель
ных исходных данных, нестабильности характеристик объекта
управления, динамики переходных процессов и весьма сущест
BeHHoro воздействия неконтролируемых факторов. Вместе с тем
способы обработки основной технолоrической информации
в темпе с процессом должны быть достаточно надежны и
практически реализуемы с помощью . существующих средств
Шихта
!( ОЛОШ НI1 Ko6b"j
: еоз
Дутье
прои!/кть
пли 6ки
Мастер
Рис. 88. Схема построения автоматизиро ,
ванной системы контроля и управления
доменным процессом:
СЦ КУ система центра.iIизованноrо KOH
троля и управления с использованием УВМ;
САР ш , САРдИ САРR, JIокальные системы
автоматическоrо реrулированця отдельных
параметров шихты, комбинированноrо
дутья и давления на колошнике печи
215
вычислительной техники (например, УВМ типа «M 7000») 6' Co
четание таких противоречивых 'требований позволяет реализо
вать сравнительно простые модели с элементами адаптации"
обеспечивающими возможность приспо абливаться к KOHKpeT
ным изменчивым условиям работы доменных печей.
Для' решения проблемы контроля и управления доменным
процессом кафедрой металлурrических печей УПИ предложена
5 доп
u Уолт
Х 5 Аоап и опт
Х У5аз К'
J.
и
М50З
У5аз
у
и IJU М дин 'у' . tU!lПР
М!lЛР
Z
"1lJl/.PeK. МЛРО2 Хн !иpp
х:,
.х
б ИНtp
Рис, 89. Структурная схема информационно управляющей модели теп
ловоrо режима доменной плавки:
Б ииф блок первичной обработки технолоrической информации;
Б доп блок сбора и хранения дополнительных данных; Б адап блок
адаптации (настройки) системы; Фl. Ф 2 И Ф З фильтры релейно экс-
понеНЦliальноrо сrлаживания переменных величин; М баЗ ' М дин ' М проr
и М упр математические модели; К; коэффициент настройки; и
управляющие воздействия; Х контролируемые показатели плавки; }'
рассчитываемые обобщенные параметры; Z приведенная помехC:.t
система совместно работающих алrоритмов и моделей (рис. 89),
включающая в себя следующие элементы:
" 1) алrоритм первичНОЙ обработки технолоrической информа
ции и расчета параметров настройки основных моделей, объ
единяющий блоки Бинф, Б дол и Бадап и фильтры релейно экспо
ненциальноrо сrлаживания переменных величин Ф1, Ф2 И фз.
Параметры настройки информационной модели тепловоrо co
u
стояния доменнои печи:
Наименование параметра
Базовое значе
ние
Средняя площадь сечения шахты печи S, м 2 . .
Средняя высота верхней тепловой зоны Н О, М. . .
80
14
216
Температура На rранице раздела тепловых зон, ОС:
rазовоrо потока t o . . . 6 6 . . . . . . . . . .
шихтовых :материалов t mo . . 6 . . . . . . . . .
Средняя температура заrружаемых в печь шихто
вых материалов t m . 1(, ОС. . . . . . . . . . . . .
Коэффициент радиальной неравномерности rазорас
пределения на колошнике печи k p , и, доли ед.. . .
Оптимальные затраты тепла в нижней зоне печи
на 1 т чуrуна 1 Q опт, кДж/т чуrуна. . . . . . . .
Gодержание железа в чуrуне за вычетом ero коли
чества в металлодобавках Feo, % . . . . . . . . .
Выход чуrуна, Kr/Kr:
из кокса еl(. . . . .
из аrломерата еа. .
из окатышей ео. . . . . . . . . . . .
I
из 1 й добавки е д . . . . . . . . .
из 2 й добавки e I . . . . . . . . . . . . . . .
Выход чуrуна из известняка еи, Kr/Kr. . . . . . .
Коэффициент, характеризующий потери чуrуна
из за выноса пыли k п , доли ед. . :. . .,. . . . . .
Истинная удельная теплоемкость при температуре
t m . 1(, кДж/ (Kr. ОС) :
cyxoro кокса СI( .
аrломерата Са . . . . .
..
окатышеи со . '6
l.й добавки С . .
2.й добавки с i 1 .
известняка си. .
Средняя удельная теплоемкость для интервала тем-
ператур O to, к ж/ (м З . ОС) ':
. . . . .
. .. . . . .
. . .
, азот а С N 2 6 6 . . . . . . . . . . . 6 . . . 6 .
окиси уrлерода Ссо . . . . . . . . . . . . . .
Средняя удельная теплоемкость для интервала TeM
ператур О tд, кДж/(м 3 ' О С):
"""
азота CNz . . . . . .
.......
кислорода С 02 . . . .
.........
водяных паров СП! о.. ..
Суммарное содержание в природном rазе, M 3 fM 3 :
. . . . .
уrлерода ( С) . . . . . .
водорода (Н) . . . . . . . . . . . . . . .
920
900
112
0,91
2 , 5. 106
94,8
0,01
0,60 .
0,62
0,50
0,77
0,00
0,53
1,17
0,86
0,69
0,70
0,70
0,45
1,40
1,41
1,42.
1,50
2,10
1,06
2,00
I Без учета потерь тепла через кладку и водоохлаждаемые элементы
печи.
2) основную физическую (детерминированную) модель про
цесса Мбаз, основанную на балансовых, физико химических и
, u
друrих закономерностях доменнои плавки и предназначенная
для описания базовоrо протекания процесса и решения задач
, оптимизации;
217
3) функционально физическую модель в приращениях Мдин,
позволяющую учитывать динамику доменноrо процесса, описы
вать возмущенное движение и проrнозировать изменение pac
считываемых обобщенных пар?метров при существующих или
измененных условиях плавки;
4) функциональную модель проrноза основных показателей
плавки Мпроr с учетом тенденций раЗВIJТИЯ доменноrо процесса,
u v I V
влияния примененных воздеиствии и приведеннои помехи;
5) управляющую модель М упр , ре лизующую лоrико-матема
v . v
тическии алrоритм оценки технолоr,ическои ситуации в целом
и алrоритм выбора необходимоrо J{омплекса корректирующих
v v . .... v
воздеиствии в виде cTporo соrласованнои проrраммы изменении
v
параметров дутья и состава заrружаемои шихты.
При разработке этих алrоритмов и моделей ,учтена активная
роль человека (коллектива технолоrов) в решении всех OCHOB
ных задач контроля и управления доменным производством, на- .
чиная со сбора мноrих исходных данных, ввода их в УВМ дО
непосредственноrо воздействия на:ход плавки. Это отразилось
на выборе физически понятных технолоrам обобщенных пара
метров, рациональной системе отображения информации о ходе
плавки на центральном пункте управления печью и способах об
Щения с вычислительной техникой. Во всех случаях право OKOH
чательноrо решения остается, по прежнему, за мастером, Beдy
ЩИ М доменную плавку.
По своему наз ачению рассматриваемую Cl:icTeMY алrоритмов
и математических моделей целесообразно разделить на две oc
новные части информационную и управляющую.
Информационная часть системы предназначена для MaTeMa
тической обработки в темпе с процессом исходных данных (см.
с. 216) и вычисления комплексных показателей тепловоrо co
стояния верха и низа доменной печи. Основой этой части си
стемы является базовая модель М баз , структурная схема KOTO
рой изображена на рис. 90, а последовательность обработки
технолоrической информации (алrоритм контроля) приведена
в табл. 11.
Введение узлов динамической коррекции e P1:i, как уже OTMe
чалось, позволило учитывать естественную последовательность
v
и инерционность развития отдельных процессов доменнои
плавки.
Принятые зависимости обоснованы в предыдущих rлавах
книrи.
Дополнительной характеристикой комплексных показате
лей тепловоrо состояни верха и низа печи MorYT служить функ
ции чувствительности (рис. 91), найденные методом математиче
CKoro моделирования с использованием осредненных данных
о работе доменной печи объемом 2700 м 3 Череповецкоrо метал
лурrическоrо завода.
При оценке приrодности рассматриваемых обобщенных пара
218
.....
<1:
::r
::s:: О
L....
t:; О
CQ
<
f-o 1:::
U::I
f-o
r:Q
О
р,.
f-o
IJJ
<
р,.
<
1:::
:А
<
u::I U
Е:[Ы
щ::r
00
щр,.
01:::
::s::::s:
::S:
:з::::s::
U::I
,<
U::r:
::S::::S::
2:t:i
.0<
CQE--o
::S::U::I
p,.::r'
1:::>->
::s::M
::s::ffi
::r......
<::s::
::r'
0..1JJ
01:::
е
:З::
::s::g
:з::
OIJJ
Uo
t::{
::S::<
L....M
O::S::
::r:
g::s::
><:<
IJJ
r--a.
::s::u::I
r--t:J::.
O:s;:
::r:
<t:J::.
0..0
f-o
°u
::;:0
f--<U
::s::
р,.
о
L....
1::;:
<:
=::2
Q.o
С=:IЗ)
CIJ ,.Q ,
=а.;CIJ
o:r
=Q.u
ClJfoo
:r :t: с.
се с
:t:
ro
а.;
>.
::2
g.
09-
се
:t:
foo
CIJ
:r
u
се
р,.
с.
Е-<
CIJ
::2
се
с.
се
С
CIJ
:s:
:r:
се
са
о
:t:
CIJ
::2
:s:
се
:r::
о')
А
с\1
.....
CI:)
с)..
fI.)
CI:)
:::s
с)..
:о
Е-о
с)..
Е-о
!::j
с)..
!::j
о
!::j
с)..
с
.э.
:1:
;::s
!::j
Е-о
С
\с
с)..
\с
а
:!!
('1)
===
.....
с
о
1
.....
......,
11
==
Q.>
1:1"
CI;!
I:::t:
о
r:::
(.)
о
о
'
oCl;!
:><:1:1"
:>.C\S
(.)I:::t:
о
r:::
..........
(.)Е--<
(.)
C'I;! r=
о <:>
о с с
о') а.:> L.Q
с.с> "'=::t4
""t' LC
,............--.... ....
.... ,..... 1:={
1:: .... "N
....
............ 1:: .....
..... t:::( 1::
I ....
....
tf'I I:={
++V\tV'1
t::: t::: + +
' ( "'=
+ +
t::: 1:: +
+ t:::
I ...:
......................." 1::
с> С
8 8 ,
..... .....'
11 11 11
а 8 8
It.,,) "N
,
Q)
Е--<
CI;!
;:s
I I
ф
::S::
p.,
:>.а.>
p.,E--<
C';1
C';1
М:><:
C';1::Q
o..
:>'0
Е--< Е--<
С';1:><:
Q.,:s::
S
,.Q
Q)::ru
[-о Q) о
t1:: r::::
t1:: S
::з:: ......
I:::t:
ф:><:
р.,::ао
u
:><:
::а
о
Е--<
:><:
::s::
S ..
u EI
о
ЕЗ
(.)
::t:
::t:
::g ::S::
Q) [-о
00 (.)
1:;: ::S::
r::::
Q)::S::
Q.,
I
t1::
t1::
:I:
1::::1:
Q)
р.,
(.)
.....
ф
..
с <:>
....
t::
t:::( ....
' с .....
t:::(
HVl
+ +
с ==
+
+ 1::
1::
11
8
"{:j
I
:><:
::S::
S
о
:::s::: ..
(.) s
p-'1I:1
[-00
(])
::S::
::s::p-'
1::::1:
::S:: ::а;
::s::
:I::><:
r::r::a
Q)
0..0
UE--o
,......,
CI)
.......
..
00;:
+
10
coCIJo , I
tt.,' .....,
OOU
Q':I .......
о')
с
,1 .
о
с
.....
11
Е--<
о..
Q)
о
с';1
::S::
::t:
:>.
:>.
::r
..?::.
о
:><: :::s:::
:а ..
,:д
OO:::J"I
11':)
с'1
.....
8 1 с
'
ф
ф
11
.
I ,
:>.
P-.;:S
:><:
....
;.Q
о
E--<U
:><:0
О ::s::..........
E--о!::1Е--<
O;;;;lCQ
r:::
,.Q :;::
1:1"
,.Q Q) а
't r:::
o
:::s:::
:g o
o;::a
0:2:
1:;:0;=
r:::t\3p.,
Q) Q)
ь ::Е Е--о,
219
...
1:; =::!!!
\о 0.0 со
CI:I ==(1) С с.с
f-< (I).Q"" ...... м ф 00
="'=(1) c't ...... LC c't
(1) :co::r ...... ф ...... <D LQ
:s:: (1) о. и со 00 1Q ...... м
= ::r(-c М
(1) =o.
!:Е =0 ......
1:; 00::'::
О
1:::{
О
О.
t::
220
"'=
>-
:Е
о.
Q
-&
t::
=
""
(1)
::r
и
а..
о.
""
(1)
::g
Q.
=
(1)
::s::
=
a:I
Q
:=
(1)
::g
=
:I:
t:
t:::
I
+
t:
а
о
+
J::
+
=
11
rf:
1:1
:i
:1"
t'\3
О
t::
(\')
:s::
=
>.
>.
::rt'\3
t;т'
1:::(t'\3
01:::(
:><:0
::at::
E:-
1"""'"'"""""
....
J::
+
с
+
t:
...........
"'i
>-
Q.
I
+
t:
'
о
:3 t:
'NQ..
8
......
11
:3
о'
· · Е-'
:><:.......
==
=E3t::(
J:Q)1:::C::
t'\3 о
t::: :::с:: 8
I::0r-v
Q)5'-J
E-оt::j:CI
(J
:><:=
=:1"=
а..С])а..
t::t::
= >.
::а =)1
=0
..Q(\')><
Q::a>.
I:::(Q@f;.
=E-<::r'
...............
t')
.......,
u
........
,.....,
:!Ii:
I
r::
I . Q..
8
......
.........
r::
с
......
11
I
о
о..Ь..о
:.>::
:::r
:.>::(.)
-&:::с::
=0
:::c::
I:::(
01:::(
:><:0
(.)0..
(\1С])
a..
>.t'\3
= =
>.
::а
=е>.
..QO:r'
t:::=E-о
ф=.......
I:::(
J:Q
('1')
о
с\)
о
(;:)
;е
(;:)
с
.о
Е--.
rt:>
о..
Е--.
!::j
Q.,
с
:::t'
Q.,
(;:)
""8-
;е
!::j
Е--.
О
\о
Q.,
\о
а
::I!
(1')
=e=f
e=f
11
e=f
:Et.
t') .
:s:r::
со
CD
::::.
':;
,-...."
о
..
::r::
I
1:(
........,
1:(
з
......
с
с
11
...
о
о
...
:I:
I
...
о
I
11
...
z
о
...
:I:
::::.
+
.
r::
::::.
.......,
11
...
:I:
::с
:s::
)1
........
м
)1
1:::(
о
><
(.)
cl.
о
О
::t
=
Q)
Ef r:t
t\S
o
\O..Q (\1
О Е-< ('t)
>. t\S
=
)1
00
I:::(
00
::ta..
(\1(.)
t:::=
J:Q
......
8
......
о
с
11
..
с
11
о
...
:I:
::::.
,
.
r::
'0
s2 ...
t\S 1:1::
f-t
tJ)1
1:1 О Q)
;::::.. 1:: ос
Е-<
>.
j:CIl:::(
о
a.. tJ
t\SoC
О t:: =r
(1)
:><: t:::
1:::( ::а J:Q
О =
а.. t1:::><:
= I:::(:s::
g Ef
О
С])
Ef
g
t\S
t::
>. ..
Е--о О
(,)
О
1::)1
С])
ос
Е-<
>.
t'\31:::(
tJ
a...Q
Ot;т'
t:::Q)
(.)!:::
=
C:Q
ос
t;т'
Q)
t::
j:CI
О
С])
Ef
Q
t:: ...
>.Z
Е-о;::::"
tJ
0)1
t::Q)
.Q
t\SE--о
Е--о>.
01:::(
('t)
t\StJ
O:S::
С])
Ef
s2 f-t ..
t\S>':э::
I:::(
Е--о
CJ :s:: )1
000
t::'""'('t)
t\S
t:::
t:Q
::е
с;(.)::а
I:::(,.Q=
0t;т't:1
а.. (1) О
0t::a..
а::( =
О а..
1X1c:Qt::
=::!!!
Со о
r:::=ф t.C
ф.QЕ-< .... О l.Q .... Ф О
=,"=(1) О О О ... l.Q C'\I 00
О'Р"
:с со CJ ... о 00 l.Q C'\I t'--o ..
Е-<cr;I О О C'\I t'--o t'--o О
cr;I:=c:l.
:со
oo
Cr;I
t:;
:>.
:;;
а.
о
-&
с:
CO;S
:с
Е-<,
CL\
с...
Cr;I
со
Е-<
<IJ
::е
Cr;I
Q.
Cr;I
С
.' (1)
==
:с
c.i3
D:I
О
:=
:s:
Cr;I
:r::
о
...
:1:
.
r::
+
fU'"
...........0
C"I
11
........
. . ......
О;:!:: .........
o..Cl.E-о
Ф!:::С,),.Q
ф<....,
C,)::r..
>',.Q ::S:,
::тo
C\SQ)0C\S
!:Qt:: 1::(
Е-о О
j;Q""p'
::то ....0
=
Q) C,)
og::e=
Qg
(!)C\SC\SO
::S:!:::
=z:: >-. О .
(l)E-< =1:::{
8 :a Q)
О I:::=z::::e =
ss 1:::{ о
......C\SOE-<°
01:::{ 0..C\S J:::{
,...,
.... 1':1,...,
.........
': 1
r:: ...... t:i
'"""'
t:i
о
...
:1:
11
;х:=:;
:at::;:
=0
I::f
J:::{
О;?-
r:Q
,.Q
C\SE-o
I:::{>'
01:::{
t1»
C\SI:::{
0..0
:х:
С,)
Q)C\S
=0..
IO
а !:Q
00
o...
"С\31:::{
О !::: (l)
I
t:i
"N
,......,
2""-
С
+
LQ
C'I';)
с
......,;;
+
с:о
C'\I
C'I':)
......
э
....
...
l.Q
C'I
с\3
cl.
>.
Е-о
C\S
g.u
t::::o
::Е
Q) -6<
E-оЕ--.
r:Q
О
ct)
C\3
C\S
:x:
о):с!
::r':з::
:З::.
фф
0..:::;:
00..
ф>'
.в..
.:
+
э
......
о
...
с
+
2""-
C-:J
+
......
L.............J
Ф
C'I':)
о
11
-е-
со!
:I:
I
C<I
о
u
I
о
u
I
о
о
....
11
C<I
Z
c't
Z
............
..
z
8
....
11
.
о
j:..,
О
lX1
О
::S:
:з::
CoI:::,g а
ZC> О
Q) а
:з::
О ::S:
0::Е
..........
Q) о о""
:s::!:Q :х:::Е
.... О >.
С,) t)
м
0..8 I:::{
о) О О
1::( , C\S
О а j.Q ct)
U r:oE
::е
о
><
>-.
С,)
lX1
c't
:I:
......
Q
...
С
I
CJ
..
:r::
11
о
. ...
:r::
6
r...
I . о::
\Q::S::S::
О :::r ::r::
ф
j;QC\3t::;:
0Q)j;Q
0..0..0
C\1a:I:
I:::I:::
:х: С,)
:a:S::C,)
=z:: ::r' О
O)J:O
I:::{I::: :з::
OI:QC=
r:Q 5
05=z::
J:O><=Z::::E
е--о..... ф
С,) ..... I:Q ...
О)еС,)О
::r'QO ....
::S:::>.::S:::I:
ct) .
'OC\3 J:.,
o..
.
+
.
r..
11
r..
.
О
J:Q
О
::s:::
::r:
8
О
о
=
0=
::E
о..........
:t:""
::E
с\1 r:
!:Q
c\s
1::fCt)
OC\S
:><: j:..,
:а о
Q:)
о
...
:1:
...
.:1:
CJ
.............
о
...
:1:
11
...
:I::
F=""
I
О
1:::{
О
CQ
=
=z::
c\s
t::i
Ct)Q,)
,.Q
r::;::s:
O
1:::0
(,)1:::{
:s::
...
.а 1:1:;
=
о)
t::::C\S
0)1:::{
Е-< О
Uo..
221
1:;: :S:;:s
\о Q.Q со It)
CI:!
f-< t::CQJ ..... I С
QJoI:If-I "" с с ....
QJ :s:t:;QJ ...... с 00 . r---
:s: :cQ:r .. . r--- с 00 с
:I: QJ Р. CJ ..... С ...... .. .....
QJ :rf-l ce c\t 00
се :с Q. ......
=С)
1:;: 00:'::
О
I::t
о
р.
t:::
CI')
ь
....
о
u
се
е;
:;;
Q.
Q
-&
=
се
:z::
f-<
QJ
:r
CJ
CI:!
с...
:.::
8
..
с
+
..
'--'"
+
:.::
.....
c\t
8
..
с
+
C'I:)
00
....
11
'"
CI')
I
С
....
:.::
8
..
с
+
C'OI
::r::
ф
00
......
+
..
о')
....
'--'"
11
'"
.<
t-
I
С
......
L1.)
c'f:)
I
C'OI
::r::
....
..
L1.)
+
=-=
ф
LQ
......
'--'"
11
'"
....
tr.J
..
С
. 1 C'I:)
=-=r---
+
......
k;
о) <5",
..
о ....
"8
Ig
.....
.. '"
.<
.......
'"
"-'
о')
LQ
С
11
'"
t'--.
Ф
..
Ф
.....
11
.
+
...
о
,............"
8
LQ
С
....
+
с::>
О
1"-' u
c\t
1
.....
...
о
l"-'
+
...
z
с
.....
...
1"-' z
1
.....
...
z
'
11
:IC
,........,
со!
:r::
с
+
.....
"'-"
......
1 $
..... I
о
со! . О
::r: ...
lf...J :r::
+ х
'"
I:::r<
х
.....
"'-"
<::>
LQ
LQ
I '"
,........,
...
:r::
ф
о')
о
..
с>
+
.....
"'-"
с
......
.....
о
...
:I::
1
r::.
...
о
c\t
,........,
...
:r::
f::'"
.....
.....
..
с
+
CJ
.
'"
,........,
о
u
+
о
u
"'-"
....
с
..
с
11
о
CI:!
Q.
f-I
QJ
::е
се
р.
CI:!
r::.
QJ
=
:с
CI:!
tQ
Q
:I:
QJ
:;;
==
CI:!
::r:
, ..
;:!:J
CI)"-'
о
t\S
t:::M
Cl)t\S
Е-- j:..,
О
tr.:: j:..,
t\S0
:I:r:Q
O
::C
CI)::S:::
I:::(::r::
>.8........
oU
tr.:: О.
оCl')
::r:: .!.
::r::"Q.......
::S:::E--:;E
Е--(.)......,
222
I
О
::S:::
::r::
8
О
........
°U
:::::0
"Q .........
Е-- .......
(.)Е--
O
::с
1:::(
o
t\S
0..(1')
t:::
aj:..,
1=;:0
r:::: j:..,
(1)0
r:Q
,
О
::с
"Q(.)
Е--о .......
(.)C'OI
O
..
('t)
tr.:::;>
с\3
('1)
tr.::C\I
C\Sj:..,
O
C])
t:т' О
::S:::r:Q
E--оО
t\S::C
::?J::S:::
(1)::С
::r::8
::S:::o
I I ::S::: ..
фф
t::E--о.....
:aE--о::I:
::c::r::t:r'C\S
oCl)<1)('t)
('1) :s:: о.. t\S
:::fE--о
::s::: ::s:::
Ф-& ::s:::
:I:-&
:><: (1') >.
o.. o J::f
CI) E--o
r:Q::C.....:x:
Q)::s:::
tr.:: ::s::: !::I
::a ;;;j
1:::(::r::t\S
::e::c::s::: u
::s::: С]) CI) о
::S::: ::?J C;;
::r::\O\O
1:::(000........
(1) ОЕ--о.......
U o..::S:::I=;:O
t:т't::t:::
t\S
:З:: U
O
ОЕ:;-
('I)
со
с\3
::с
0::s:::
1:::1"
"QC])
f-ot:::
(.)С1)
O
:::::::s:::
::c
8
1=;:0
I::r:::
ФО
::C
..
:а::
"Q О ..
Е--о j:..,
(,)ф
a'
SQ:s::
0t\St:т'
"",r::::(1)
""" >. r::
Е--о
tr.::o>.
r:::::з::
О .. О
r:::C\3(1')
t::
фо
f-oьQ
r::Q
tr.::o::c::r::
C\3"",,:;E::S:::
O::S:::
Q)cc::r::.......
r:::0 :;Е
0('1) t=:!
t::: Е r:Q :::::
'О
::S:::
o
::s:::::e::c
::s:::tr.::::s:::
=r о.. ::?J
J::.......
::::: tt:)
::S:::
-& tr.:: ..
::S:::::S:::
gO
t\Str.::
"QQ)::s:::
Е--о о..::с
oCl)
::r::1::r:::
сс
::s::: ::c
(,)I:::(
::СОЕ--о
CI) о.. (,)
Е--оос.;
.;sl=;:
и"'"
=:е
Q,Q со со
С=CI) со с с
CI) E-< О о') С Ф ...... ...... м
=:I!!;CI) 1..1.> Ф Ф ...... . . с
:z::Q:r 00 .. t--. Ф
CI) Q, (.) ...... с o::t' 1f:) ......
::r"' С С
C\I::I::Q,
:СС ...... C'-J
м:.::
c!s
I!!;
>.
:е
о.
Q
-&
tI:
:=
...
<LI
:r
с)
tl.
CtJ
О.
Е-<
CI)
:е
c!s
с..
CtJ
с
CI)
=:
:r:
c':s
са
с)
-=
CI)
:е
:s:
::r::
::!
<::s
;::
;z::
;::
,
о...
<::u
tO
;::
;z::
о
е..
о
о
C\J
о
tO
О
<::u
е..
tO
о
о...
е..
<::u
о...
....
.о
;z::
;z::
<::u
:r
\Q
о
\Q
О
<::u
;::
;z::
с;",)
;:s
....
.о
'Q
+
......
с
11 '
::S::6
::t'E-<С!)
Q)
со::;::
......t::
;.Q ::s::: о
::t: ' о--("
o ......
м CJ
о....
::;:: ::S:: 1::::
(1)
::c::E
:><:(1)0
a.O
(1)t::;
!:::
ti.:: , =
t::;(1)::Q
::S::E-<
Q)=::X:
ф(1)::>::
gS
(l)::t::co
0..Е-<0
U о::.:::
c't:>
..
,...,
i::
..........
..........
,...,
Е:
I
......
..........
о
:t
CI')
11
. ICQ
1
':= ti.::::s:::
с ::r t::;: ::r
(l) Q) о Q)
Е--< С С t:::
::S::Q)
E--<::I::
CJ
O
::r:
::;::
::S::Q)
C,)::t:
::t::x:
o..
::t:Q)
=!:!:I
,...,
I '"
.......... CQ
I
(1) -...,.;
',1
......
""""""
,...,
:t:
.
!3
......
:t:
.......
..........
:.=
.
8
.......
с:
1
.......
со
."""
O :;;:
O
0::I::
::t:::C
0..(1)
>,::Е
Е-<О
CI:S
о..
Q)
t:: ::Q
::E::t:
..аCQ Cj)Оt--f
",Q)"Е-<roQ)"
t=:::s::: ,, :=::;::
... Q) t::;: ..... Q) t:::
(1)::Ео ::S::::t:o
'8 :><:
о о ::I::
t:: t::; CQ ::S: !:!:I'
о..
:><
(l)
'"
.
1::
.
ru
""""
1
'" :.=
b.o
,..., r:---
e-<lcD
осх:
U......
,.....,
.......
-...,.;
о
...
о
1
:t:
о
':S(l)
IJ;..
О' о.
cl..
.
а
.......
с:
1
+
о
u
11)
C"I
О
8'
.......
'..,.;'
......
с
с
о
11
"-
11
11
Q,
cl..
':s
"-
ci
(l)
tI..
О
LQ
t'--o
с
с>
с.о
C"\I
I
::
о
I
8.
О
+
I p.
11
. ......
11
::
о
Q,
о'
, :s::
:s::
а.С])
t:::=
..a::s;: '>-0 ,t:;:
f-oЕ-< Q)CJ Q):= r:::
CJ CJ t::;: = (1) о..:х: СУ
00 .... Q)
=: о.. О ....'" ::S::: '" t::;: ::S:::
..а о ; 3 ::I:: со::'::: ::>:: >.
t::;::s:: E-<\O O!:!:l ::а=:
CJ CJ t::;::t: =:0
::>::00 CJO t:::"' ..оМ
I::o.. r::: Q)t;t::: t::;:Q
О Q)..... E--оCJ ("\
ti:::t::;: ti:::" 00 '""I.;%i
roc>s oc>so:JSj;Q >'::t:<:1:3
::S:::::t:>- :x:0..E--< := ::t:
0= 0=0 C>SQ>, ::a:s::c
0..", ::Ec>st::;: e-,"", ""'::t:>.
t::E--< ti:::E--<CJ "00= "'"
:s:::s:: a.:s:::S:: "'::Eo..>. ::т'
::r:S:: t::::r::'::: roti:::t::t... ....E--<
о;: CJ ::f CJ I Q) о.. >-..... "'...........
'" CJ '" ' CJ :JS t::: r:Q ::r .D t::;:
= :х: ,.Q c>s 1:::( Q) Е--< 1::........
Е--<о..::;:: =:0..0 = 0..Е--< ::S::(l)>----.j"
>. ..в..::з:: о.. ::s:: ""........... ::r Е--< ::s::
::C::S:::::s:::::S::: Q3 a,) (l)::S::"' CJ
::s:: а; ro Е--< ga t::{g::t:t::1 р.
c E:;U::t:>' "'::S::::X:o..:><CY
(-о
1::
с)
о'
.......
Q,
о'
11
::
о"""
II.i
::t: Е-<
ti.:: 1:1
OQ........
f-II'""'\J'"
u'-J=
0....>-
CJ....""
0..>,
c
о.........
5;Е--<
CQф..........
OC
2::a
Q)=::':::
Е--<О
roсо
О
CJ :=....... t::{
:Х:CI)оа,)
Q) =Ю ::s:::
1:::( ci t:::
511
223
метров для решения практических задач контроля и управления
были проведены исследования с применением среднесуточных и
среднечасовых данных о работе доменных печей большоrо
объема НТМК, Днепровскоrо завода им. Дзержинскоrо и ЧерМЗ.
Собранные массивы информации разбивали на отдельные BЫ
борки, объединяющие данные о значении 30 50 переменных па
/(п
А п
Дп
И П
f
п
W".
t ш
1
П п
d щ
tJ(" В
. l
lH
Ор
Рис. 90. Структурная схема информационной части модели УЛИ:
1 4 операторы предварительной обработки технолоrической
информации о параметрах шихты, колошниковоrо rаза и KOM
бинированноrо дутья; 5. б операторы формирования обобщен
ных параметров тепловоrо состояния верха и низа доменной
-+-
печи; К; переменные параметры настройки модели; Wi(p)
узлы динамической коррекции (условные обозначения комплекс.
ных показателей и методика их вычисления даны в табл. 11)
paMeTpo за 60 120 последовательных интервалов времени (до
пяти суток работы печи). Затем проверяли достоверность co
бранных данных, сопоставляя и анализируя отдельные показа
тели, уточняли технолоrическую ситуацию за рассматриваемые
периоды наблюдений, после чеrо с помощью ЭВМ типа «M 220»
или «БЭСМ 6» были вычислены обобщенные параметры ,и не-
обходимые статистические характеристики анализируемых вы,,:
борок информации.
224
о' W r , О/О о' W Ш О'т
4 4 4
, . Ал
О О О
, 4
4
а
О'Р п
6' d.. у
4
tJ '1 Н?
4
4
о
о
4 -4 -4
е е
O'l8 (t K ) 6'i 8 0'8
4 4 4
о
о
4 4 4
11( 3
ар р O'r d. O'i н
4 . 4
4
о
ч
о
4
о
4 O'Xi, % О
z
4 dXi.%
2
4
6
о
о
о
4
о
2
4 tJXi. %
Рис. 91. Функции чувствительности обобщенных параметров тепловOI'О состояния верха
и низа доменной печи (a .м), рассчитанные по базовой модели процесса
15 Заказ Н!? 97
225
Информация об основных параметрах домеНН020 процесса,.
необходимая для реализации уnрощеНН020 варианта
информационной части модели У П И
Наименование параметра
Базовое значе-
. вне
Автоматически измеряемые пара.метры
Расход холодноrо дутья v зм, М З /МИ!1 .
Содержание кислорода в дутье юд, % . .
Влажность дутья 'Д, r/M 3 . . . . . 6 . .
Температура rорячеrо дутья t д , ос 6 . .
Расход природноrо rаза на печь V ,
5068
25,9
. . . 10,0
. . . 1 148
мЗ/ч . , . , . 1. . . 15 100
Содержание в КОЛОШНИКОВОМ rазе, %:
водорода Н 2 . . . . . . . . . .
окиси уrлерода СО . . . . .
двуокиси уr,,'Iерода СО 2 . . .
Температура колошниковоrо rаза в общем rазоотводе
. . .
4,1
27,9
19,9
t=ЗМ, ОС'. . . . . . . . . . . . . . . . 6 . . . . . .. 176
Масса в подаче, т/подача:
влажноrо кокса к: зм .
аrломерата А п . . . . . . . . . .
окатышей ОП .
l й добавки Д
2-й добавки д I .
известняка И п. . . . . . . . .
Время срабатывания подачи 't'п, МИН. . .
. . . . .
. . . .
13,37
37,85
7,30
0,11
0,11
0,04
6,6
. . . . .
. .
Периодически контролируемые параметры
Содержание в коксе, %:
влаrи U7 и . . . .
летучих Л Н . . .
Вынос колошниковой пыли из подачи пп, т/подача.
..............
2,8
1,2
0,3
р, т/с!/т
6500 ---
;'
/ P(iiJ
/
I
I
4500 I
I
I а
0,5 0,6
[s tl, %
0,5
.
0,7
0,7
'8
5
90
1,02
1.14 'Н'
Рис. 92. -Зависимость основных показателей доменной плавки от тепловоrо состояния
верха и низа доменной печи объемом 2700 м З ЧерМ3:
а сопоставление теоретической кривой P(i B ) со среднесуточными показателями; 6
диаrрамма рассеивания и поrрешность определения экспериментальной точки (заштри
хованный участок)
226
..
Выявленные зависимости между основными параметрами
тепловоrо состояния печи и фактическими показателями ее ра-
боты приведены на рис. 92. Аналоrичные результаты были полу-
чены при оqработке информации о работе доменных печей объ-
емом 1719 м З НТМК и завода им. Дзержинскоrо. Установлен-
ные закономерности (падение производительности при переrреве
шахты печи и рост концентрации кремния в чуrуне при HarpeBe
ropHa) вполне соответствуют понятиям о природе доменной
плавки и подтверждают адекватность базовой модели процесса.
В таБЛ6 12 представлены некоторые данные о коэффициентах
парной корреляции 'ху и максимальном значении ВКФ 'ху ('т)
при времени сдвиrа ,. 1
Общий характер сопоставимых статистических зависимостей
для разных печ й и выборок информации остается неизменным.
Содержа ие кремния в чуrуне [Si] наиболее тесно. связано
со значением индекса i H [коэффициенты корреляции 'ху ==
== О, 16 0,34" rxy ('t) == 0,434 O,537], а интенсивность плавки с ин-
дексом i B [коэффициенты корреляции 'ху и функции 'ху ('t)
бл:цзки между собой и равны 0,8].
, Полученные данные также показывают, что взаимосвязь ме-
жду обобщенными параметрами i B и i Ii весьма неустойчива (зна-
чения коэффициента кор'реляции изменяются от +0,20 до 0,36,
а функция rxy('t) меняет положение cBoero максимума от +0,60
до 0,36). Это подтверждает относительную автономность теп-
ловой работы верха и низа доменных печей большоrо объема.
Проведенные расчетно-теоретические исследования позво-
v .
лили уточнить отдельные закономерности современнои техноло
. V V
rии доменнои плавки и переити к опытно-промышленным испы-
таниям информационно-управляющей модели упи. Первые
опыты проводили в 1971 r. на доменной печи А завода им. Дзер-
жи .скоrо, оборудованной ЭВМ типа «Днепр-l». Исходя из Tex
. U .. U
нических возможностеи этон машины и конкретных условии ра-
боты домен:н;ой печи, была подrотовлена упрощенная методика
вычисления обобщенных параметров, для реализации которой
требовалась информация о переменных величинах; 8 из них вво-
дились В УВМ автоматически, 10 вручную (все остальные фак-
торы' учитывали при расчете коэффициентов настройки модели).
Ежечасно вычислялось 9 обобщенных параметров, характеризу-
ющих восстановительные и тепловые процессы в зонах печи.
При подrотовке к исследованиям 2 была осуществлена ча-
стичная модернизация системы автоматики, что потребовалось
из за необходимости ввода в УВМ информации о температуре
колошниковоrо rаза tR, и применения дополнительных подпро
1 Время сдвиrа, ч, указано подстрочными цифровыми индексами.
2 В подrотовке и проведении опытно промышленных испытаний при
ним али участие сотрудники НИИАчермет Б. п. Довrалюк и л. с. Липо
вецкий.
15*
227
Т А В Л И Ц А 12
КОРРЕЛЯЦИОННАЯ МАТРИЦА ВЗАИМОСВЯЗИ МЕЖДУ ОСНОВНЫМИ
ПАРАМЕТРАМИ ДОМЕнноrо ПРОЦЕССА. РАССЧИТАННАЯ ПО СРЕДНЕЧАСОВЫМ,
ДАННЫМ О РАБОТЕ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ А ЗАВОДА ИМ. ДЗЕРжинскоrо
и ПЕЧИ ОБЪЕМОМ 2700 М З ЧЕРЕПОВЕцкоrо МЕТАллУРrИЧЕскоrо ЗАВОДА
Параметры Р р Td i H io 151)
процесса
Доменная печь А (информация за 15/1 1/I1 1969 r.)
рIII 1,00 0,41 o, 60 0,81
р
rd 1,00 0,43
i H o, 600 o, 430 1,00 0,20 0,34
io 0,810 0,604 1,00 0,20
[ 51] 0,360 0,455 0,254 1,00
Доменная печь А (информация за 5/I1 10/II 1972 r.)
pIII 1,00 0,41 0,36 o, 82 0,17
р 0,41з 1,00 O,81 0,66 0,O5
rd
. 0,360 0.,810 1,ОО ........0'36 0,16
lH
io o, 820 0,660 o, 360 1,00 0,03
[51] 0,4416 0,3719 0,5216 0,3116 1,00
Доменная печь объемом 2700 м З (информация за 14/l 18/I 1972 r.)
Р р 1,00 0,03 0,31 o, 78 0,03
r d 0,2519 1 ,00 o, 76 0,23 , 0,22'
i H 0,310 o, 760 1 ,00 . O, 11 0,29
io o, 780 0,36 7 0,24 4 1, 00 o, 19
[51] 0,25 4 0,34 7 0,537 0,2116 1,00
Доменная печь объемом 2700 м 3 (информация за 15Л 19/11973 r.)
Рр 1,00 0,01 0,45 o, 79 0,05
rd О, 2010 1,00 0,40 0,51 o, 10
i H 0,450 0,400 1,00 o, 29 0,29
io o, 790 0,510 0,294 1,00 o, 03
[ 51] o, 14 з 0,236, 0,434 0,344 1,00
rpaMM расчета лоrарифмических и экспоненциальных функций.
Прежние nporpaMMbI сбора, осреднения и лоrической проверки
достоверности входных данных остались без изменений.
Во время месячных промышленных испытаний модели взаи
мосвязь между рассчитываемыми и фактическими показателями
плавки оценивали по частоте отклонений величин i H и [Si] за
зону нечувствительности, принятой равной :l: 3 О/о (отн.). Оказа
228
л<;>сь, что 690/0 выявленных отклонений совпадают по знаку, при...
чем; параметр i H изменяется раньше, чем содержание кремния
в чуrуне на выпуске [Si].
Дальнейшие исследования были перенесены на доменную
пеЧi> ЧерМЗ объемом 2700 м 3 , оборудованную более совершен...
ной аппаратурой и УВМ типа «Харьков",3» (информаuионно",вы-
числительный комплекс KM 11 О 1, разработанный СКБ CAY
r. Харьков). Испытывали новый вариант базовой модели, для
реализации 'которой использовали информацию о величине
16 автоматически контролируемых и трех задаваемых величин.
0.8 J
. О. 7 / .".. J "v "" Л. ,1/ \..
, ..... v ...... ..., ,V ...... 1"" "
',4 /'
I
А \ А
1,2
. У\
"' ..л. j
. 10 1\
1 V , л "
J ...,J
0,8 ... .. ...
" ' v V .... V v' "
1,0 J
lrJ 1\1 W
о .. 0,8 A. J
r.=1 О. б """- .... J
1 """ ." h{ IV , \r' l'
Ц4 ,.....
I I I I I I
Время 12 20 4 12 20 4 12 20 4 12 20 +
Дата 25.04 26, О"" 27.04 28.0'1 29.fJII.74с
Рис. 93. Результаты опытно промышленных испытаний информационной части MO
,дели УЛИ на доменной печи Н!! 4 Череповецкоr о металлурrическоrо завода в ап
реле 1974 r.
Новая методика расчетов 1 позволяла обходиться свободными
ячейками оперативноrо запоминающеrо устройства (ОЗУ) вы...
u u
числительнои машины, не затраrивая существующеи проrраммы
сбора исходных данных и расчета среднечасовых показателей
плавки. Все вычисляемые параметры реrистрировались цифро-
печатью, а индексы i B и i H выводились, кроме Toro, на вторич",
ный пр и бор типа ЭПП.О9 На диаrрамму этоrо при бора дежур'"
ным оператором УВМ наносились также данные о содержании
креМНI1Я в чуrуне на выпуске.
Обобщенные параметры вычисляли сначала по среднечасо.
вы м данным о работе печи, а затем по информации, осреднен",
u '
нои за интервал времени между очередными подачами, т. е.
J В разработке новых вычислительных nporpaMM и опытно промыш'лен
ных испытаниях информационно управляющей модели участвовали С. А. За
rайнов и А. Н. Дмитриев, В. А. Савин, М. и. Фридрих, Р. А. Фокичев,
А. и. Малинин, Т. В. М дынская и А. и. rоленищенко (ЧерМЗ).
229
через каждые 5 8 мин. Это существенно облеrчило проrноз
.хода плавки и позволило' анализировать переходные процессы
.. у
при использовании малоинерционных воздеиствии «снизу».
При совершенствовании способов обработки технолоrической
информации в темпе с процессом была опробована методика
осреднения исходных' данных о количестве и составе заrружае
..
мои шихты за несколько подач, с ПОСJ:lедующим сrлаживанием
Х ке
2
у
v. ·
8
tfJX;
r l
I I
I I
1
и д
I
J I
I I
L/ J
базоВая моtJель
У:
АнаЛUЗlJРl/ющuи олок
РИс. 94. Структурная схема анализирующеrо блока модели:
1 4 операторы предварительной обработки технолоrической информации и вычисле
ния текущих значений промежуточных и комплексных показатe.n:ей У, используемых
пр решении задач проrНОЗ8 (C r . С ш ', d э . tl(' tШl(' '11Н 2 ' V r . o;V' j. rd' W Ш ' Р под ' Р р );
*
X i И Ui. контролируемые и управляющие параметры доменноrq процесса; + Хш'
* * * 11:
::r. U и + 6.и анализируемые воздействия; У и У проrнозируемые значения
Ш Д в н
...
обобщенных параметров тепловоrо состояния верха и низа печи; К; переменные
парам'етры настройки модели
рассчитываемых величин релейно экспоненциальным фильтром.
Это повысило стабильность определения обобщенных параметров
тепловоrо состояния верха и низа печи синхронно с процессом.
На рис. 93 даны результаты, полученные в период опытно про
мышленных испытаний информационной части модели.
Управляющая часть системы объединяет модели Мдин, Мпроr
и М упр (СМ. рис. 89), с помощью которых осуществляют проrноз
хода плавки, оценку технолоrической ситуации в целом и выбор
230
.. u
рациональноrо комплекса управляющих воздеиствии «сверху» и
v ..
«снизу» в виде cor ласованнои проrраммы изменении параметров
дутья + дИ д и шихты ::f=.ДИ m .
Основной' узел функционально физической модели в прира
щениях Мдин анализирующий блок (рис. 94) предназначен
для проrнозирующей оценки влияния отдельных факторов, про
стых и комбинированных (совмещенных) воздействий на тепло
вое 'состояние верха и низа доменной печи. При изучении реак-
ции тепловоrо режима печи на однократные и сравнительно
небольшие по величине воздействия, в отличие от известных ме-
тодик, учитывают возможные изменения интенсивности плавки
. Р П , Р р , степень прямоrо восстановления r d и температуру ко.
лошниковоrо rаза t H .
Друrая особенность новой методики заключается в том, что
анализирующий блок работает совместно с базовой моделью
процесса Мбаз. Это позволяет оценивать влияние на ход плавки
приращений (отклонений от базовоrо значения) таких контроли
руемых параметров как изменение состава шихты ::f=.дХ ш (Ha
пример, содержания ДFеа), управляющих воздействий «сверху»
::f=.дU в (например, массы кокса АК п и аrломерата дАп в подаче)
и «снизу» + ди н (параметров дутья Д Vд, дt д , Д/д, ДЫ д , ,д V п . 1').
Проrнозируемые значения обобщенных параметров тепловоrо
u
состояния печи отмечены на структурнои схеме и в тексте звез-
дочкой. Наименования и единицы измерения этих величин были
даны в табл. 11.
При решении задач проrноза в качестве исходных значений
контролируемых или рассчитываемых параметров принимают их
осредненные значения за предшествующий период работы печи,
считая, что общие условия плавки сохраняются прежними, а Me
няются в небольших пределах лишь анализируеМ Iе воздейст
вия. Динамику переходных процессов учитывают отдельно с по
мощью друrих блоков модели Мдин, ОПИС Iвающих возмущенное
u
движение доменнои плавки.
Для построения анализирующеrо блока применены, в OCHOB
ном, те же зависимости, ,что и при разработке базовой модели
процесса, дополненные лишь некоторыми экспериментально ста
тистическими соотношениями, отражающими конкретные усло
вия работы печи.
Особенность модели в приращениях заключается в том, что
она основана на использовании только входных переменных дo
MeHHoro процесса (параметры шихты и комбинированноrо
дутья), упрощенных линеаризованных зависимостях, найденных
с 'помощью функций чувствительности (см. рис. 91), и следую
щих предпосылок:
.1) приняты неизменными теплофизические свойства колош
никовоrо rаза CI', Л r , '\71', характер rазораспределения и значения
температур to и t mo на rранице раздела между верхней и ниж
u
неи тепловыми зонами;
231
2) степень использования водорода 1]Н 2 таКЖ,е принята ПО"!
, u
стояннои, поскольку пределы изменения этоrо параметра при
решении задач проrноза невелики и поэтому величина прираще.
ния L\rjH 2 слабо влияет на результаты вычислений ' Например
при ДrjН 2 =::: + 0,1 значения индекса i и меняются Bcero на
1,
::1= 0,002;
3) влияние параметров дутья на развитие восстановитель.
ных процессов учитывают с помощью экспериментально стати.
u ". u
стических зависимостеи, наиденных для конкретных условии
плавки. Определяющим чаще Bcero является расход природноrо
u
rаза, что отражено предлаrаемои зависимостью
r ==rd kj (j* j), (229)
rd базовое (исходное) значение степени прямоrо BO
ста!Iовления, найденное по фактическим данным
о работе печи за предыдущий период плавки доли
ед.;
j, j* базовое и проrнозируемое значения параметра, xa
рактеризующеrо отношение количества уrлерода, по
ступающеrо в печь с природным rазом, к количеству
aToMapHoro кислорода дутья;
k j коэффициент, отражающий :конкретные условия
плавки и принятый) равным 1,59 при обработке ин
формации о работе доменной печи Чер З объемом
2700 м 3 ;
4) при расчете проrнозируемоr.о значения степени прям'оrо
восстановления r; не учитывали влияния сравнительно неболь
ших изм'енений параметров шихты и возможных колебаний хи
мическоrо состава чуrуна.
Для определения проrнозируемых значений основных пара.
метров доменноrо процесса предложены следующие упрощенные
соотношения:
* 2 V о + V н о (с) V n r
Р р === 2 2 *. т/мин;
1,867g K 4 [Рео] r d 8,06
v; == V N2 +2 V o2 +2 VH 2 0+( H ) V п . r+
P;(4 [Рео] r +8,06) м 3 /мин;
* *
* W сшР пР р Вт/ О С 6 ,
W Ш :::=:: Ш *
сшР пР р
rде
(230)
(231 )
(232)
t= tK :* +to(l ":п* ) т*(t .к tш.к)ОС;
(233)
( V; ) 0.9 ( t: + 273 ) 0,57 ( d* ) 1.1'
a v == а t 273 d ш Вт/(м З · СС).
V r К + ш
(234)
232
:: Проrнозируемые значения остальных комплексных показа
u W * * В * .* Т * * Р * .* Q * l *
Т !Iеи r' т, ,"в" ф' Qr' п' J , w и н определяли с Ис
'пользованием зависимостей доменноrо процесса, которые были
приведены в табл. 11., '. . '
;" Анализирующий блок модел,И реализован разработкой всех
Не"обходимых вычислительных проrрамм и опробован для вычис
. .1 I u
ления статических характеристик тепловоrо р жима доменнои
пл,авки.
, Под статическими хар.актеристиками поним,ают линеаризо
, u
вцнные зависимости, которые описывают влияние приращении
«цх;рдиых» пере'менных Xi' (параметры шихты или омбиниро
BaH oro дутья) на тепловое состояние верха и низа печи. Эти
u
соотцошения для ОТДельных комплексных показателеи MorYT
быть представлены уравнениями
': n ,
..' 8Y J .== К} .6.х.
, 1 l'
i ==1
(235)
, ,
,rде Kj i 2 линеаризованный коэффициент передачи, характери
, ' зующий взаимосвязь между приращениями (конеч
, ными изменениями) i той входной величины и j Toro
" па раметра процесса вблизи ero базовоrо состояния.
Исследование статических характеристик, рассчитанных для
u u
разных условии плавки, показало, что доменныи процесс весьма
нестабилен и значения коэффициентов MorYT меняться в' 1,5
2 раза. YCTaH eHa вполне определ'енная завис:uмость при xo
лодании веР, : иза печи абсолютные значения коэффициентов
передачи растут, т. е. в этом случае эффект управляющих 'и
u u.. . .
возмущающих воздеи<k..ТВИИ выше, чем при разоrреве печи.
Обнаруженная нестационарность каналов передачи входных
воздействий подтверждает невозможность решения проблемы
управления доменным процессом с помощью каких либо зара
'нее рассчитанных соотношений. Поэтому проrноз хода плавки
и выбор необходимых корректирующих воздействий можно ocy
ществить лишь с, помощью анализирующих моделей, работаю
щих в темпе с процессом.
"На рис. 95 приведены статические характеристики тепловоrо
режима доменной печи объемом 2700 м 3 ЧерМЗ, найденные для
КоН1\:ретных условий плавки. Полученные зависимости были ис
пользованы для оценки адекватности совместно работающих
анализирую,щеrо блока и базовой модели процесса, выполняе
u U
мои сопоставлением вычисленных соотношении с практическими
данными, которые зафиксированы в технолоrической инструк
ции по ведению доменных печей ЧерМЗ и приведены в работах
З. и. Некрасова, М. А. Стефановича, В. И'. Л{)rинова, Н. Н. Ба
барыкина и некоторых друrих исследователей.
, Результаты этих работ представлены на рис. 96. Широкий
,разброс опубликованных сведений объясняется нестабильностью
233
, 1
. 2
3
О
о
t1 , %
2
1
JJ
. 1
62
3 а
О
3
1
1
О
40 80 120 lБО
L1l/, M. 1 / MUff
'Д'
Р р
500
т
Р р
50 100 150 200
IlK п . t<e /лоiJаqо
2
в
0,25 0,50 0,75
L1 t.J д , О/О
20
о
0.5
8
1,0 1,5
F е :8' 'ус
2,0
Рис. 95. Статические характеристики тепловоrо режима доменной плавки (a e), най
денные методом моделирования для конкретных условий работы печи объемом 2700 м з
ЧерМЗ . (,
LI Р. "с
А
2 Иl Ar!
L
о ....I"I"'Т
2
а tJ 6
ДК,%
2
О
..........
2
"
б t1 е ж
О 25 50 75 О 0,25 0.50 О. 75 О 2,5 5,0 7, 5
t1 t ос LJ Ы д , 0/0 11 fД, 2/М J
'Д.
А НJJ.
, """ 111
2
""с: 0.1 .,...,..
""'( а
3
9 t::I
О
.g .....
..........
с\)
-18
27
о 0,5 1,0 1,5
t1 Fe:', %
Рис. 96. Оценка адекватности совместно работающих анализирующеrо блока и базовой
модели процесса (а з):
,
результаты моделирования при условии, что iи""'сопst; то же, ,iB.=s
"const; ..... рекомендации технолоrической конструкции доменноrо цеха Черепо-
вецкоrо метзавода. (Заштрихованная область характеризует разброс опубликованных дан-
ных о влиянии параметров дутья и боrатства шихты на изменение производительности
печи I:1P и удельноrо расхода кокса I:1K,)
234
рассматриваемых характеристик и большим разнообразием ус-
ловий работы анализируемых печей. В этом отношении данные
u
технолоrическои инструкции, отражающие опыт ведения Домен-
HЫX печей ЧерМЗ, наиболее достоверны и удовлетворительное
..
совпадение с ними рассчитанных зависимостеи позволяет rOBO-
рить об адекватности новой модели.
При обработке информации о работе доменной печи объе-
мом 2014 м 3 ММК получены следующие статические характе-
ристики:
u ..
, ,изменение полезнои тепловои МОIЦНОСТИ rазовоrо потока при
прохождении через нижнюю зону печи
'Aqr ==5,197 l::1ill A O,7341::1/д+O,083 f:1t A +
+0,0416. VA O,00221::1 V n . r кДж/мин;
изменение производительности печи, рассчитанной по ба
лансу уrлерод кислород,
Р р =::;: 14,2616.К п +2,0146.Fе а +5,5146.ill д +
+0,127 6./ A +O,00Q4I::1t A +O,042 6. V д O,OO23!:lA V п . r т/мин;
изменение удельноrо прихода тепла в нижнюю зону печи
I::1Qp == 14,690 6.К п 2,230 6.Ре а 1,591 6.Ф д ,
........ 0,690 6./ д +О,О63 !:lAt A ........ 'O,010!:lA V A +
+0,0016. V п . r КДЖ/Т чуrуна;
изменение выхода колошниковоrо rаза
Д V r =::;: 1,281 6.К П+О, 176 6.Ре а + 1,351 6.ill A +
. с
+0,063 6./ д +О,ООО2 6.t д +О,026 6. V A +O,OOOl6. V п . r м 3 /мин;
..
изменение отношения теплоемкостеи потоков шихты и rаза
!:lAm . 4,475!:lAК п +О,2196.Fе а + 1,7706.ill д +
+0,027 6./ д +О,ОООI tA ........0'060 А VA O,OOI6. V п . r доли ед.;
изменение температуры колошниковоrо rаза
: 6.tк===7,3716.Кп 0,3616.Fеа 2,9156.illд
.......t.O,044 А/д +0,0002 6.t A ........0,0106. V A +O,OOI6 6. V п . r ос;
u
изменение индекса температурноrо поля верхнеи зоны печи
Al B 6,518 6.Кп 0,357 6.Ре а 2,880 6.Ю д 0,0446./д+
+0,0002 6.t A O,OI0 6. V A +O,OOI6 А V п . r доли еД.
Разработанная модель была использована для изучения
влияния простых и комбинированных воздействий на тепловое
состояние печи. Результаты некоторых из этих исследований
235
представлены на рис. 97 и '98. Найденные зависимости при
rодны и были применены для подбора необходимых корректи
рующих воздействий «снизу» И «сверху» В тех случаях, коrда
известно отклонение автоматически рассчитываемых обобщен
ных параметров В и i п от оптимума.
При окончательном выборе рациональноrо комплекса управ-
ляющих воздействий, помимо тепловоrо состояния :. отдельных
зон печи, приходится учитывать такие определяющие факторы
/JB//o
L1 В, 'о
12
8
IJ
О
+/1 t д
4
12
8
4
о
-4
B
12
12 8 4
о
8 12
!J i н. О/О
Рис. 97. Влияние изменений параметров
дутья и массы кокса в подаче на тепло
вое состояние верха и низа доменной печи
объемом 2700 м 3 ЧерМ3 при конкретных
условиях плавки. Цена одноrо деления на
радиальных векторах соответствует значе
ниям' 1д==2.5 r/M, tдс::250С, OOд==0.25%,
VП. r==500 м 3 /ч и Кп::::а:1О0 кr/подача,
Пунктиром показана оценка влияния KOM
бинированноrо воздействия V п. r ....... /1f Д'
если L\ V п. r== :t2000 м 3 /ч и /11 д==':!: 10 rlM 3
"
7000
1 0
3 / 1.1
ro1 .
I
12
в 12
А . 01.
и f.,H. ,.,
о
4
Рис. 98. Анализ влияния комбинированноrо
воздействия «изменение расхода природ
Horo rаза изменение ВJЩЖНОСТИ rорячеrо
дутья» на тепловое состояние верха и
низа доменной печи объемом 2700 м 3 Чере
повецкоrо метаЛ,лурrическоrо завода при
конкретных условиях плавки:
1 температура фурменной зоны при Т Ф ==
=; const; 2 мощность тепловоrо потока ra
зов Qr==const
доменноrо процесса как ровность схода шихтовых материалов,
..
ха рактер rазораспределения, перепады давлении по высоте
печи, фактический состав чуrуна на последних выпусках и MHO
roe друrое. Лоrико-математический анализ всех этих обстоя-
.. ' ,
тельств при оценке технолоrическои ситуации в целом возла
rается на управляющую модель М упр . Находимые решения и и
рекомендации по воздействию на процесс + ди рен MorYT быть
проверены с помощью проrнозирующих блоков системы и скор-
ректированы.
Один из опробованных вариантов ситуационноrо управления
основан на анализе достоверности исходных данных и тенденции
изменения обобщенных параметров тепловоrо состояния печи В
и i п , с учетом фактическоrо <;одержания кремния в чуrуне на
236
I
,
\
)
If
)
)
\
I
,)
(
<
I
\
(
)
J
"
)
\
,
./
)
,
1
11
(
r
""
..
...
,.
J
}
r
q
==::.
===
I
I
',
I
! )
W
.:....
=
I \.
/
f
"1
J
F
t-:=
U
WfI
Q
t=
=-
';=1
"1
"'1
t::;) t:::I t::;) ............. C"-..I rч-:,
...... . f:::;).I:::;)'t:;)'
· + I , t
fH/2''DjV %'[!sJ 17
......
"".......-
/
'1 "
,
>
, .
\??
,"-...', '1..
/ '>
)
\) " \с:),
'<
[',
I ......
(
, / '\."" с:о
'"
"" v.
) , >
, r:=J .
I 1/ }P
'
,
"
...... l\'
.... . "
A
l
r=;1 ,
(J) ,'\ ,"" '"
..,..; '-
>-'" "::'
....t'
C
l"-...' ",,\
,
'
V
(
" ...
,-.., 1..."'"
"" ,,'\
1"
ос
."
.'
'",\:
t:;) Q') Q;:) I.t-:> "'":1
....:- с:::;,. c:::;,'t:::)t:;)' c::::$c:::5'<::::i
О/О 'О sJ
'-.:
r-..:
c:-..,t:::)
......
с:о
"1'
1:"-.
.
"t-
с--....
......
"""
I:"-.
,1::::)
,"")
......
Q::)
""
r--..
1::::)
.......
c'\..j
.......
со
I:I:::
I
О
"'"
са
:::
=
::с
о
'"
,.Q
J::
О
С::
U
=
=
о
о
=»
=",
....
0=
=с.;
U:ts;:
o
....
.I:Q
::Е"'"
ос,)
Q)I::{
'"
00
c.
C
::s=
:i!Ef
=
=»
Q)СЧ
::Е =
О"'"
a::{
I:I:
...А
....0
=
Q)
J::::S::
:::
:r
С::Ф
»=
= 0::'
:::
1:1:=
J::tI:
00
счf-o
"",U
=0
OU
o
o
\O
00
uJ::
ОС
СФ
U"'"
OI:Q
O
оА
="'"
=Ф
::S
""'
ОСЧ
\O
C
c.
"'
Д
СЧ=
=
...cu
t:Ef
u\o
00
::1::\0
o
I-o
Q)..Q
-&::1::
-е-=
(?')
=
::I'
c,)
:r u
ф
СЧ
О:::
'с.;
8cu
::1'
. :::
UI-o
=
o..::s
,
'последнем выпуске [Si]ф. ИНф0рмационно управляющая система
ориентирована на преимущественное использование корректи
рующих воздействий «снизу» и лишь при особой необходимости
меняется величина рудной наrрузки. Для упр.авления сходом
шихтовых материалов и rазораспределением изменяются кЬли
чество дутья и расходы природноrо rаза по отдельным фурмам
печи.
На рис. 99 даны результаты оценки приrодности описанноrо
способа управления при применении в качестве корректирую
щеrо воздействия :f=дfд (изменение влажности rорячеrо дутья).
Задача решалась методом ретроспективноrо моделирования
с использованием конкретных данных о работе доменной печи
объемом 2700 м З ЧерМЗ.
Для Расчета переходноrо процесса (см. заштрихованную
эпюру изменения величины Д [Si]) применена функция
W (р) O,028/(2p+ 1) %/(r/M 3 ), (236)
u ' о
наиденная экспериментально при исследовании доменных печен
ЧерМЗ [149, 164].
Сопоставлением исходной [Si]ф и полученной [Si]ynp кривых
измен ния кремния в чуrуне на выпуске подтверждается эффек
тивность разработанноrо способа управления. При использова
u
нии корректирующеrо воздеиствия «снизу» уменьшилось cpeд
нее значение, диапазон колебаний и количество отклонений Be
личины [Si] за допустимые пределы.
Подводя итоrи выполненной раБОТ I, можно отметить, что
проведенные исследования подт ердили возможность решения
проблемы контроля и управления доменным процессом путем
использования физических (детерминированных) моделей теп
ловоrо состояния печи и кибернетических (функциональных)
способов обработки технолоrической информации. Реализация
новых идей и разработок связана с применением автоматизи
рованных систем промышленных исследований (АСПИ) в co
ставе действующих АСУ доменными печами большоrо объема,
оборудованных наиболее совершенной аппаратурой и cpeДCT
U ' .
вами вычислительнои техники.
6ИБлиоrРАФИЧЕСКИЙ список
1. Малахов F. М. Выпуск рУДЫ из обрушенных блоков. Свердловск Москва,..
Металлурrиздат, 1952. 192 с. с ил.
2. Механика сыпучих материалов. Тезисы докладов Всесоюзной конферен
ции. Одесса, ИТИПП, 1975. 358 с.
З. Фцалков Б, C. П ЛUЦblН, В. Т. Кинетика движения и характер rорения
кокса в доменной печи. М., «Металлурrия», 1971. 228 с. с ил.
4. [азодинамика и механика движения шихты в доменных печах. Тезисы
докладов научно технической конференции. Свердловск, ВНИИМТ, 1969.
56 .
5. rотлuб -А. Д. Доменный' процесс. М., «Металлурrия», 1966. 505 с. с и..'IJ .
6. Соколовский В. В. Статика сыпучей среды. М., Физматrиз, 1968. 276 с.
с ил.
7. Тениев Т. A. «Строительная механика и расчет сооружении», 1965, N2 6,.
с. 23 26 с ил.
8. Зен ков Р. Л. Механика насыпных rрузов. М., rосстройиздат, 1964. 251 с..
с ил.
9. Лукьянов П. И Аппараты с движущимся зернистым слоем. М., «Машино ,
строение», 1974. 184 с. с ил.
10. Walker D. M. "СЬет. Eng. Science", 1966; .N2 21, р. 975 980.
'11. Буевuч ю. A. ИФЖ, 1975, т. 28 .N2 3, с. 455 464.
12. Буевuч Ю. A. Минаев Т. A. ИФЖ, 1975, т. 28, .N2 5, с. 773 780 с ИЛ
13. руевuч ю. A. ПММ, т. 32, вып. 1, 1968, с. 95 105.
14. 'Буевич Ю. A. В кн. Тепло- и массоперенос. Минск, «Наука И техника»,-
, т. 3, 1968 с. З20 341. .
15. Бардuн И. П. Остроухов М. Я. Ходак Л. З. и дp. «Изв. АН СССР"
ОТН», 1955, .NQ 1, с. 80 95 с ил.
16. Ходак л. З. В кн. Физико химические основы доменноrо процесса и co ,
временная . практика производст-ва чуrуиа. Свердловск, rнти, 1956,.
с. 276 285 с ил.
17. Манчuнскuй В. r. «.1\'1еталлурrия чуrуиа», .1\'1., Металлурrиздат, 1960.'
(лпи. Сб. .N!! 212), с. 109 1l9 с ил.
18. Кукаркин А. C. Китаев Б. И. В ки.: Вопросы произврдства стали. Киев"
«Наукова думка», 1965 (ИИ Т rаза АН УССР. Сб. Ы!! 10), с. 66 74.
19. Довzаль А. M. Шумuлов К. A. В кн.: Автоматизация доменноrо произ '
водства. Киев, «Техника», 1971, с. 23 36 с 'ИЛ.
20. Шахова Н. A. ИФЖ, 1968, т. 14, .NQ 1, с. 61 69c ил.
21. Ярошенко ю. r. Щербатскuй В. Б' I Швыдкuй В. С. и дp. «Изв. вузов
Черная металлурrия», 1971, .N!? 12, с. 22 26 с ил.
22. Швыдкuй В. C. Тордон Я. M. Ярошенко Ю Т. и дp. «Изв. вузов
Черная металлурrия», 1974, .NQ 8, с. 137 142 с ил.
23. Greuel M'I Hillnhutter P. Kister H. 1 Kruger B. "Stahl und Eisen", 1974"
94, NQ 12, S. 533 539.
24. Бондаренко А. и. Остроухов М. Я. «Сталь», 1972, NQ 7, с. 587 589.
25. rаврилюк л. Я. «Изв. вузов. Черная металлурrия», 1966, .N2 6, с. 46
49 с ил.
26. Ванин В. H. Нuколаев ,В. B. НИКОНОВ А. T. «Металлурr», 1966, .NQ 7"
с. 11 12.
27. Колесник и. Л. Лебедь П. K. Тойда Н. И. и др «Металлурr», 1974,.
NQ 5, с. 8 9 с ил.
28. Воловuк Т. A. Донская Е. T. Бондаренко В. И. и дp. «Изв. вузов.
Черная металлурrия», 1972, N 12, с. 81 8З с ил.
29. Стефановuч М. А. Анализ хода доменноrо процесса. Свердловск, Метал
лурrиздат, .1960. 286 с. с ил.
239
30. Боzдан'ди Л.Ф., Энzель r. Д. Восстановление железных руд. М., «Метал-
лурrия», 1971, 520 с. с ил. "
31. Blast Furnace Aerodynamics. Ed. N. Standish, Wollongong, 1975, р. 220.
32. Brauer Н. Dechema-Monographien, 1960, Bd 37, S. 7 78.
33. Ешар Р., Бредеzефт Р., Маврудис М. и дp. «Черные металлы», 1971,
.N!? 12, с. 3 11. '
34. Amatatsu М., Chon М., Yoshizawa А. and all. "Tetsu to hagane. J. Iron
and Steel Inst. Jap." 1971, v. 57, N2 9, р. 1461 1467.
35. Fukutake Т., Okabe K. "Tetsu-to-hagane. J. Iron and Steel Inst. Jap.",
1971, v. 57, N2 10, р. 1627 1634.
36. Jack J., Merrill R. "Сап J. СЬеm. Eng.", 1971, 49, N!? 5, р. 699 701.
37. Koltif V., Broz z. "CoHect Czech. Chem. Communs", 1972, 37, N!? 5, 1666
1670. '
38. Чернышев А. Б., Померанцев А. А., Фарберов и. Л. ДАН СССР, т. 56,
1947, .N2 7, с. 727 729 с ил.
39. Bennet J., Brown R. "J. Inst. Fuel", 1940., N2 13, р. 232 237.
40. Аэров М. Э., Jlмяик, Н. Н. ЖПХ, 1950, т. 23, N!? 10, с. 1109 1117 с ил.
41. Voice E. "J. Iron and Steel Inst.", 1949, 163, N2 11, р. З lО.
42. Колесанов Ф. Ф. Движение rазов через слой кусковых материалов. М.,
Металлурrиздат, 1956, 88 с. с ил.
43. Бялый л. А., Шур А. Б. «Стал », 1964, N!? 1, с. 14 47 с И,л.
44. Бялый Л. А., Котов А. П. «Сталь», 1965, .N2 3, С. 20 1 204 с ил.
45. Буzаев К. М. Распределение rазов в доменных печах. М., «Металлурrия»,
, 1974, 175 с. с ил. .
46. Стефанович М. А., Як,обсон А. п. «Сталь», 1953, .N!? 2, с. 108 1l5 с ил.
47. Бабарык,ин Н. H. «Сталь», 1959, N!? 2, с. 101 105 с ил.
48. Schwartz, Smith J. "Ind. Eng. Chem." 1953, v. 45, N!? 6, р. 1209 1215.
49. Jacob и. "Arch. techn. Messen", 1965, N!? 213, р. 325 336.
504 Newe.ll R., Standish N. "Metallurgical transactions", J973, "-У. 4, .N!? 8,
, р. 1851 1857. ,
51. Кук,арк,ин А. С., Бак,ин С. В., Китае в В. Н..,........ «Изв. вузов.' Черная метал-
, лурrия», 1965, N2 6, 'с. 33 37 с ил. ,
52. Ярошенк,о ю. r., Щербатский В. В.,' Попов r. r. и др. Монтаж и наладка
средств автоматизации и связи. М., ЦБНТИ Минмонтажстроя СССР,
1972 (Реферативная информация о передовом опыте, серия VIII), вып. 9
(47), с. 30 33 с ил.
53. Швыдк,ий В. С., rOpaOH Я.' М., Ярошенк,о ю. Т. и дp. «Изв. вузов.
Черная металлурrия», 1975, N!? 10, с. 161 164 с ил. '"
54. Ярошенк,о ю. Т., rOpaOH Я. М., Швыдк,ий В. С. Тезисы докладов на
Всесоюзной конференции по теоретическим основам металлурrии чуrуна.
М., «Металлурrия», 1973 (МИСИС), 64 с.
55. Евдок,именк,о А. и. Физика шахтной плавки. М., «Металлурrия», 1969
(rинцветмет, Сб. N!? 29), с. 16 32.
56. Буевич ю. А., Минаев r. A. ИФЖ, 1975, т. 28, N!? 6, с. 968 976 с ил.
57.Добровольск,ий В. Л. «Инженерный журнал», 1965, т. 5, вып. 1,
с. 174 176 с ил.
58. Радешток, Ю' J Ешар P. «Черные металлы», 1970, N!?, 22, с. 60 66 с ил.
59. Radestock J., Jeschar R. "Chem. Eng. Techn.", 1971, v. 43, .N!? 22,
р. 355 360.
60. Radestock J., Jeschar R. "СЬеm. Eng. Techn.", 1971, v. 43, N2 24,
р. 1304 1310.
61. Stanek V., Szekely J. "Сап. J. Chem. Eng.", 1972, .N2 50, р. 9 20.
62. Stanek V. Szekely J. "Сап. J. Chem. Eng.", 1973, .N2 51, р. 22 34.
63. Stanek ,V., Szekely J. "A.I.Ch. Е. Journal ', 1974, N2 20, р. 974 990.
64. Тордон Я. М., Швыдк,ий В. С., Ярошенк,о ю. Т. и дp. «Изв. вузов.
Черная металлурrия», 1977, N 2, с. 135 139 с ил.
65. Prager S. "Phys. of Fluids". 1961, .N!? 4, р. 1477 1490.
66. Серрин. Дж. Математические основы классической механики жидкости.
М., ИЛ, 1963. 256 с. с ил.
240
67. Eringen А." Suhubi E. "Int. J. Eng. Science", 1962, р. 189 196.
68. Ahmadi а." Manvi R. "Indian J. Technol.", 1971, v. 9, ;N,! '12, р. 441 444.
69. El Kaissy М." Homsy O. "Indust. and Eng. СЬет. Fundam.", 1973, v. 12,
N2 1, р. 82 90.
70. Тепло и массообмен в плотном слое. М., «Металлурrия», 1972, 432 с. с ил.
Авт.: Б. И. Китаев, В. Н. Тимофеев, Б. А. Боковиков, В. М. Малкин,
В. С. Швыдкий, Ф. Р. Шкляр, Ю. r. Ярошенко.
71." Восстановление, теплообмен и rидродинамика в доменном прСдессе.
Труды Ин та мет ллурrии Уральскоrо научноrо центра АН СССР под
ред. С. В. Шаврина, 1970, ч. 1, 132 с. с ил.; 1972, ч. 11, 140 с. сип.
72. Aziz К." Hell.ums J. "Phys. of Fluids", 1967, N!? 10, р. ЗI4 324.
73. Hirasaki а., Hellums J. "Q. Appl. Math.", 1968, N2 16, р. З31 34 .
74. Фром Дж. В кн.: Вычислительные методы в rидродинамике. Пер. с анrл.
М., «Мир», 1967, с. 343 381 с ил.
75. Численные методы исследования течений вязкой жидкости. Пер. с анrл.
М., «Мир», 1972. 324 с. с ил. Авт.: А. Д. rocMeH, В. М. Пан, А. К'. PaH
чел; Д. Б. Сполдинr, М. Вольфштейн,
76. Левченко В. E.. «Металлурr», 1975 N!? 7, с. 10 lЗ.
77. Котельников Н. B. «Сталь», 1975, N2 12, с. 1075 1077.
78. Китаев Б. H. «Уральская металлурrия», 1939, N!? 1 o 11, с. 11 16 с ил.
79. Китаев Б. И. «Сталь», 1944, N2 7 8, с. 5 8 с ил.
80. Китаев Б. И. Теплообмен в шахтных печах. Свердловск Москва, Метал
урrиздат, 1945, 152 с. с ил.
81. Китаев Б. H. В ки.: rазопечиая теплотехника и вопросы метаЛАурrии
стали. Свердловск Москва, Металлурrиздат, 1946 (Труды упи. Сб.
N!? 20), с. 52 60 с ил.
82. Китаев Б. Н. Теплообмен в доменной печи. Свердловск Москва, .м.е1'а.л
лурrиздат, 1949. 48 с. с ил.
83. Павлов М. А. Металлурrия чуrуна. Т. П. Доменный процесс. Изд. 6 e.
М., Металлурrиздат, 1949, 628 с. с ил,.
84. Шаврuп С. В." Чепцов А. B. «Изв. вузов. Черная металлурrия», 1960,
N2 5, с. 172 177 с ил.; .N!? 11, с. 156 161 с ил.
85. Суровский В. М." Некрасов Н. К." Яковлев ю. П. «Изв. вузов. Черная
металлурrия»" 1971, N!? 11, с. 166 169 с ил.
86. Бородулин А. В." Зусмановский А. Я." Костров В. А. и дp. «Изв. Рузов.
Черная металлурrия», 1976, N!? 7, с. 28 33 с ил.
87. Исследование теплообменных, восстановительных и аэродинамических про
цессов по высоте доменных печей. М., Металлурrиздат, 1954. 48 с. с ил.
Авт.: В. К. rрузинов" ю. r. Ярошенко, Б. И. Китаев, Б. Л. Лазарев,
К. Д. Коновалов.
88. Китаев Б. Н., Ярошенко Ю. r., Сучков в. Д. Теплообмен в ша.ктных
печах. Свердловск Москва, Металлурrиздат, 1957, 280 с. с ил.
89. Китаев Б. Н." Ярошенко Ю. r. 1 Лазарев Б. Л. Теплообмен в доменной
печи. М., «Металлурrия», 1966. 356 с. с ил.
90. Китаев Б. Н." Ярошенко Ю. r., Лазарев Б. Л. и дp. Авт. св ид.
',Ng 186522. «Изобретения, промышленные образцы, товарные З\"Iаки»,
,'1966, N2' 19, с. 17 18.
91. Рабинович r. Д. Теория тепловоrо расчета рекуперативных теплообмен
ных аппаратов. Минск, Изд во АН БССР, 1963, 214 С., с ил.
92. Боковиков Б. А., Шкляр Ф. P. В кн. Теплотехника доменноrо и аrло
мерационноrо процессов. М., «Металлурrия», 1966 (Труды ВНИИМТ.
Сб. N2 16), с. 99 107 с ил.
93. Ярошенко ю. Т." Швыдкий В. C. «Изв. BYSOB. Черная металлурrия»,
1969, N!? 10, с. 155 159, с. ил.
94. MblCUK А. Ф., Кукаркин А. С., Китаев Б. Н., Ш 8ыдкий В. C. «Изв.
вузов. Черная металлурrия», 1976, N!? 12, с. 126 129 с ил.
95. Девятов Б. Н. Теория переходных процессов в технолоrических arlПара
тах с точки зрения управления. Новосибирск, СО Afl СССР, 1964.
458 с. с ил.
16 Заказ Ng 97
241
96. Спирин Н. A' J Овчuннuков Ю. H' J Китаев Б. И. и дp. Производство
чуrуна. Сб. N2 8, Маrнитоrорск, мrми, 1974, с. 89 96.
97. Спирин Н. A' J Овчuннuков Ю. Н. Толмачев ,Н. и.. и дp. Производство
чуrуна. Сб. N!? 14, Маrнитоrорск, мrми, 1975, с. 42 45.
98. Овчuннuков Ю. H' J Сенuчкuн Б. K'J Китаев Б. И. и дp. «Изв. вузов.
Черная металлурrия», 1974, Ng 6, с. 24 27.
99. Некрасов З. и., Бузоверя М. T. «Сталь», 1969, N2 2, С. 105.
100. Sсhйrmаn E' J вйие, D. Verkniipfung der Warme , Stoff und Reduction-
bilanz des Hochofenbei veranderten Betriebsbedingen. Troisiemes Jornees
Internationales de Siderurgie. Luxemburg, 1962, р. 89 112.
101. Прuвалов С. И' J Тuмофеев 'В. H' J Боковuков Б. A. «Сталь», 1960, N2 1,
с. 5 9. '
102. Чуфаров Т. И' J Татuевская Е. П' J Журавлева М. Т. и дp. «Труды
Института металлурrии УНЦ АН СССР». Вып. 2. Свердловск, изд. YHU
АН СССР, 1958, с. 56 81.
103. Kifaev В. I' J Makhanek N. G' J Kukarkin А. S'J Mysik А. P. Alkalis in
Blast Furnaces. Ed. N. Standish and W. Lu. Hamilton, 1973, р. 1 21.
104. Standish N. "Nature", v. 199, N2 4000, р. 1284, Sept. 28, 1963; "Iron
and Steel", 1968, .N2 7, р. 285 290. '
105. Симомура ЯСУХUТО J Нихон КuндзаКУJ Таккай Кайхо. Экспресс информа
ция, серия «Черная металлурrия», 1971, вып. 14, реф. 54, с. 30 41, с ил.
106. Маханек Н. r' J ,Кукаркин А. C. «ИЗБ. вузов. Черная металлурrия», 1962,
.N!? 5, с. 37 43. '
107.' Некрасов З. И' J Покрышкuн В. Л' J Колпаков С. В. и дp. «Сталь», 1970,
NQ 7, с. 584 592; 1971, N!? 10, с. 887 894; 1973, N2 2, с. 97 104.
108. Рамм А. М. Определение технических показателей доменной плавки.
Ленинrрад, ЛПИ, 1971. 110 с. с ил.
109. Стефановuч М. A' J Шnарбер Л. Я'J Кроnотов В. K. «Сб. трудов мrМИ»
(Сб. N!? 11). Маrнитоrорск, 1957, с. 5 33.
110. Коnырин И. A' J Остроухов М. Я: «Изв. вузов. Черная металлурrия»,
, ' 1962, NQ 12, с. 29 40.
111. Лоеuнов В. И' J Долеов В. M. «Металлурrия и коксохимия», 1965, М2 1,
с. 48 56. .
112. Пластuнuн Б. T. В ки.: Труды 'химико технолоrическоrо института АН
КазССР. Т. 5. АЛМа Ата, «Наука», 1969, С. 80 87 с ид.
113. Бузоверя Т. O'J Покрышкuн. В. A. «Доменное производство (Сб. N2 2) »,
М., «Металлурrия» 1975, с. 78 85.
114. Взаимодействие rазов с металлами. Тезисы 111 советско японскоrо сим.
позиума по физ.ико химическим основам металлурrических процессов. М.,
«Наука», 1973. 372 с. с ил.
115. Павлов М. А. Металлурrия чуrуна. Ч. 3. Доменная печь. Изд. 4 e. М.,
Металлурrиздат, 1947. 210 с. с ил.
116. Леонuдов Н. K'J Стефановuч М. A' J Дружков В. T. «Сталь», 1976, N2 6,
с. 485 491.
117. Кутнер С. M. «Бюл. ин та «Черметинформация», 1974, N!! 20, с. 57 59,
с ил.
118. Дан.ьшuн. В. B. J Кутн.ер С. M. «Бюл. ин та «Черметинформация», 1974,
N!? 2, с. 3 17.
119. Sugawara T' J Ikeda M. "Нихоп Kokan guxo. Nippon Kokan ТесЬп.
Pert.", 1974, N!? 65, р. 323 335.
120. Некрасов З. и. Применение природноrо rаза в доменном производстве.
Ч. 1, М., rосинти, 1963, 146 с. с ил.
121. Тихомиров Е. Н. Комбинированное дутье доменных печей. М., «Метал
лурrия», 1974. 158 с. с ил.
122. Мuшар Ж. Тепловые балансы и теплообмен в доменной печи. Пер.
с франц. под ред. Ю. [. Ярошенко. М., Металлурrиздат, 1963, 15! с. с ил.
123. Локшuн Е. М., Борuсов Ю. C. «Сталь», 1958, Ng 5, с. 391 397 с. с ил.
124. Стефановuч М. А., Шпарбер Л. Я'J Боедан.ов В. B. «Сталь», 1962, N2 8,
С, 687 692, с ил.
:242
125. Андронов В. H. «Сталь», 1976, N!? 8, с. 694 698, с ил.
126. Дурно в Н. K. «Тепло и массообмен в слое и каналах. Теплотехника
,доменных и теплообменных аппаратов». М., «Металлурrия», 1970 (Труды
. ВНИИМТ. Сб. N!? 20), с. 27 40 с ил.
127., rpeKOB П. Н. Форсирование доменной плавки. (Труды научной конфе
,ренции по теоретическим вопросам металлурrии чуrуна). М., Металлурr
"издат, 1963, 47 с. с ил.
128. Fотлиб А. Д. Доменный процесс. М., «Металлурrия», 1966, 503 с. с ил.
129. Цейтлин Л. Я., Fpuzopbee Е. Н., Цейтлин М. А. и дp. «Металлурr»,
1970, NQ 12, с. 7 9 с ил.
130. Пушкаш Н. Н., Бужинский А. А., Шаврин С. В. и дp. «Металлурr»,
1970, NQ 1, с. 4 6 с ил.
131. Красавцев Н. H. «Научные труды» (ДонНИИЧМ). вып. 12, М., Метал
лурrиздат, 1969, с. 70 74.
132. ,Доменное производство. М., Металлурrиздат, 1951, 707 с. с 'ил. Авт.:
А. Н. Похвиснев, В. С. Абрамов, Н. И. Красавцев, Н. К. Леонидов.
133. Рам м А. H. «Бюл. ин та «Черметинформация», 1964, NQ 11 .(487), с. 26.
134. Рамм А. H. «Сталь», 1969, NQ 4, с. 292 299. '
135. Райх Е. Н., У лахоеич В. А., Fайков В. В. и дp. «Металлурr», 1971,
,NQ 6, с. 2 6.
136. У лаховuч В. А., Райх Е. Н., Товаровский Н. r. и дp. «Б юл. ин та «Чер
, метинформация», 1972, .NQ 19, С. 3.
137. У лахович В. А., Райх Е. H. «Изв. вузов. Черная металлурrия», 1974,
.N!? 10, с. 159 I62.
138. Похвиснев А. Н., Курунов Н. Ф. '«Сталь», 1966, N!? 4, с. 300 303.
139. Похвиснев А. Н., Куруное Н. Ф., Ю:сфин Ю. С. и дp. «Изв. вузов.
Черная металлурrия», 196 , .NQ 7, с. 25 29; 1966, .NQ 11, с. 20 21.
140. Похвиснев А. Н., Курунов И. Ф., Клемnерт В. M. «Металлурr», 1969,
NQ 6, с. 6 8.
141. Похвиснев А. Н., Куруное Н. Ф. «Сталь», 1970, NQ 4, с. 299 302 с ил.
142. Похвuснев А. Н., Курунов Н. Ф., Кле.м.nерт В. M. «Бюл. ин та «Чер
метинформация», 1970, N!? 13, с. 9 17 с ил.
143. Похвиснев А. Н., Курунов И. Ф., ,Клемnерт В. М. и дp. «Сталь», 1971,
,.NQ 1, с. 9 12.
144. Похвиснее А. Н., Курунов И. Ф., Макиенко В. Т. и дp. «Бюл. ин-та
«Черметинформация», 1975, .NQ 21 (761), с. 29 30. '
145. Ребеко А. Ф., Мкртчан Л. С., Бесфамильный В. В. и дp. «Металлурr»,
1966, .N!? 7, с. 6 9. .
146. Хромов В. А. Информация ин та «Черметинформация», 1967, серия 4,
инф. N 9,' 16 с. с ил.
147. Хромов В. А., Мкртчан Л. С., Бесфамильный В. В., Каминский r. П.
«Сталь», 1969, NQ 7, с. 588 593. '
148. Ребеко А. Ф., Мкртчан Л. С., Бесфамильный В. B. «Сталь», 1969, N!? 8,
с. 679 683.
149. Мкртчан Л. С., Ребеко А. Ф., Серов 'ю. В., Бесфамильный В. B.
,«Сталь», 1965, .NQ 7, с. 981 986.
'150 rотлиб А. д., rиммельфарб А. А., Ефименко r. T. «Сталь», 1965, NQ 7,
с. 585 589.
151: Fиммельфарб А. А., Ефименко Т. Т. Автоматическое управление домен-
ным процессом. М., «Металлурrия», 1969, 309 с. с ил.
152. Немченко С. З:, Таранец А. Н., Шаталов В. А. и дp. «Бюл. ин-та Чер
метинформация», 1975, NQ 2 (742), с. 40 41.
153. Fиммельфарб А. А., Fринштеuн Н. Ш., Тараканов А. K. «ИЗБ. вузов.
Черная металлурrия», 1976, NQ 2, с. 170 173.
154. Довzалюк Б. П., Клименко А. В., Самарец Ю. М. и дp. «Сталь», .NQ 11,
1968, с. 971 97 4.
155. Проблемы автоматизированноrо управления доменным прОИ3БОДСТБОМ.
(Материалы Всесоюзноrо семинара). Киев, «Наукова думка», 1974,
284 с. с ил.
16*
243
156. Сорокин В. А. Комплексная автоматизация доменных печей. М., Метал.
лурrиздат, 1963. 279 с. с ил.
157. Телушкин Н. B. Cezeaa В. П. Тепловое реrулирование доменноrо пр()
цесса. Донецк, «Донбасс», 1965, 70 с ил.
158. Сорокин В. A. Сеzеда В. п. Сорокин П. В. и дp. «Металлурrия и KOK
сохимия», 1968, вып. 13, с. 84 93 с ил. '
159. Cezeaa В. П. Сорокин В. A. «Изв. вузов. Черная металлурrия», 1971,
.N2 11, с. 26 29.
160. Staib C. "Rev. metalIurgie'\ 1-964, v. 61, N2 1, р. 1 26.
161. Jourde P. "Metallurgie et constr. тес.", 1966, v. 98, 1'4'2 б, р. 453 457.
162. Автоматизация в черной металлурrии. Пер. с анrл., немецк. и франц.
Под ред. д. и. Туркенича. М., «Металлурrия», 1969. 575 с.
163. Luckers J. Vidal R. Automation in Ironp1aking (metallurgical reports
CNRM N2 19). Liege, 1969, р. 79 89.
164. J1лаховuч В. A. Райх Е.. и. Шоленuнов В. М. и дp. «Сталь», 1975,
.N2 11, с. 9 14.
165. П рименение вычислительной техники на металлурrическом заводе. М.,
«Металлурrия», 1963, 271, с ил. Авт.: С. Т. Плискановский, В. А. MaKOB
ский, В. я. Кожух и др.
166. Информация ин та «Черметинформация», 1974, серия 4, выл. 1'4'2 1, 12 с.
с ил. К. А. Шумилов, В. л. Мельничук, А. М. Довrаль, К. И. У довенко.
167. Китаев Б. и. Ярошенко Ю. r. Лазарев Б. л. Суханов Е. Л., «Изв.
вузов. Черная мет,аллурrия», 1965, N2 10, с. 32 36. .
168. Suchanov E. Kitajev B. Yaroshenko Уи., а. a. "Proc. IFAC 4.th World
Congress", Warsawa, 1969, Session 39, р. 3 23. '
169. Мойшелис П. л., Суханов Е. л., Заzайнов с. А., Швыдкuй В. c.
В кн.: Механика. Куйбышев, КПИ, 1972, с. 53 57 с ил.
170. Suchanov E. Kitajev B. Szvidky V. а. a. "Proc. IFAC 5 th World Соп.
gress". Paris, 1972. Part 1. 4.3/1 4!3/12"
171. Информация ин та «Черметинформация», 1966, серия 4, вып. 15. 8 с.
'с ил. 'Авт.: ю. r. Ярошенко, Б. и. Китаев, Б. л. Лазарев 'и др.
172. Суханов Е. Л. Кожуркова л. П., Заzайfiов С. А. и дp. В кн.: Тепло.
и массоперенос». Т. VII, Минск, ИТМО, 1972, с. 77 80.
173. Суханов Е. л. Китаев Б. H. Заzайнов С. A. В кн.: Металлурrическая
теплотехника и теплофизика. Свердловск, УПИ, 1976, с. 13 146 с ил.
174. Цыnкин я. Д. Адаптация и обучение в системах автоматическоrо упра..
в,ления. М., «Наука», 1968. 400 с. с ил.
175. Довzалюк Б. п. «Изв. вузов. Черная металлурrия», 1966, N2 5, с. 31 35. (
i 76. Похвиснев А. Н., Клемперт В. M. Добро скок В. А. и дp. «Изв. вузов.
Черная метаЛЛУРfИЯ», 1971, .N2 11, с. 23 25.
177. Н ario Маsауиki Мии Ivao. "Tetsu.to hagane. J. Iron and Steel Inst.
Jap.", 1970, v. 56, N2 10, р. 1311 1322.
178. Применение ЭВМ в металлурrии. М., «Металлурrия», 1975 (МИСиС,
Сб. 1'4'2 82), 456 с. с ил.
179. Товаровскuй и. r. Воловик Т. A. Бондаренко В. и. «Сталь», 1976,
N2 1 О, с. 883 888, с ил. '
180. Kitaev В. l. Yaroshenko Уи. a. Suchkov V. D. Heat Exchange in sha.ft
furnaces. Pergamon Press. Oxford, 1967. 302 р.
181. Blast Furnace. Theory and Practice. N. Y. London Paris. Gordon and
Breach science Publishers,. 1967, v. 2. 514 р.
182. Китаев Б. Н., Шавельзон Б. M. «Сталь», 1976, N2 10, c 878 879.
. " .
ПРЕДМЕТНЫМ УКАЗАТЕЛЬ
Адекватность модели 26
Алrоритм контроля 219
обработки информации 216
решения 44
управления тепловым состоянием
доменной печи (УПИ) 191
Блок адапт ции 216
анализирующий 230
Воздействия комбинированные 236
простые 235
упр авляющие 231
Время сдвиrа 227
стабилизации 82
Высота печи 143
пространственноrо движения rаза
56
rазомеханика 19
fидродинамика 101
fрадиент давления 19
температуры 63
Движение вихревое 50
' потенциальное 42
Деформация объемная 34
температурноrо поля 81
'тензор 34
Диверrенция 30
Дисперсия 201
Диссипация энерrии 36
Завихренность 43
Захлебывание 103
Зона тепловая верхняя 191
нижняя 189
умеренных температур 69
циркуляции 14
Индекс прямоrо восстановления 209
температурноrо поля 148
тепловоrо состояния 151
Источники массы 30 '
тепла 36
Кенверсия уrлеводородов 160
Коэффициент вариации 202
динамической вязкости 19
. кинематической вязкости 195
корреляции 31
массивности 80
массообмена 91
передачи 233
сrлаживания 213
теплообмена 63
теплопередачи 66
теплопроводности 36
Критерий Био 66
времени 81
высоты 81
оптимизации 56
Рейнольдса 104
управления 215
Матрица корреляционная 228
Моделирование имитационное 21 О
мат матическое 29
ретроспективное 201
Нормы тепловой компенсации 170
Ожидание математическое 31
Параметры контролируемые 226
настройки модели 216
проrlюзируемые 231
тепловоrо состояния 219
Планирование эксперимента 56
Плотность вещества 30
насыпная 64
Показатели комплексные 182
Поле давлений 19
концентраций 98
скоростей 18
температурное 62
Поток массы 30
тепловой 67
Процесс переходный 85
фильтрации 75
вспенивания 105
Равномерность rазораспределения 9
Ротор скорости 43
Система комплексных показате
лей 191
контроля и управления 215
Степень завершенности теплообме
на 64
использования ВОДорода 207
прямоrо восстановления 206
Тепловое состояние доменной печи 181
характеристика топлива 151
Теплоемкость истинная 36
кажущаяся 67
средняя 63
потока 63
Теплообмен верхняя ступень 69
внешний 66
245
внутренний 66
завершенный 69
нестационарный 79
нижняя ступень 69
стационарный 72
Теплота разлох<ения уrлеводородов
158
Уравнение движения 35
материальноrо баланса 153
неразрывности 30
состояния rаза 36
сохранения импульсов 32
энерrии 36
Эрrана 19
Функция автокорреляционная (АК Ф)
202
взаимно корреляционная (В-КФ)
202
тока 44
чувствительности 183
Характеристики информационные 183
статистические 201
статические 215
Цель управления 215
Эквивалент замены кокса по тепло
обмену 15.1
' по восстановительному по
тенциалу 153
по rазодинамике 156
Энтальпия 68 '
o'r л А В Л Е Н И Е
Предисловие ................
Осщ)Вные обозначения, принятые в книrе
. . . . .
РАЗДЕЛ ПЕРВЫЙ
М,АТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ДОМЕнноrо ПРОЦЕССА
rлава 1
ПРОЦЕССЫ ДВИЖЕНИЯ [АЗОВ И МАТЕРИАЛОВ
........
1. Особенности движения столба шихтовых материалов . . . . . . .
2. [азораспределение и расчет полей скоростей rаза в объеме печи. .
з. у С;lOвия, обеспечивающие оптимальное rазораспределение в печи. .
[лава 11
РАЗВИТИЕ ТЕПЛООБМЕННЫХ ПРОЦЕССОВ. . . .
. . . . .
1. HarpeB слоя при постоянных' теплоемкостях потоков IiIихты И rаза
2. Ню'рев слоя при переменных, зависящих от температуры, теплоем
костях потоков шихты и rаза . . . . . . . . . . . . . . . . .
з. Теплообмен в орошаемой зоне доменной печи. . . . . . . . . . . .
4. Развитие нестационарных тепловых процессов в доменной печи .
[ л а в а 111
РАЗВИТИЕ ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ
И rИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИй . . 6 6 . .
........
. 1. Цриближенное математическое описание процессов восстановления
2. Общая картина концентрационных полей в доменной печи и их
анализ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
з. rидродинамические явления в заплечиках и ropHe доменной печи
РАЗДЕЛ ВТОРОЯ
"
АНАЛИЗ ДОМЕнноrо ПРОЦЕССА
3
7
9
9
9
18
54
62
63
71
75
79
90
91
96
101
r л а в а IV
ТЕМПЕРАТУРНЫЕ И КОНЦЕНТРАЦИОННЫЕ ПОЛЯ
В ДОМЕННЫХ ПЕЧАХ 108
1. Исследование температурных полей в действующих доменных печах 108
2. Исследование нестационарных температурных полей в доменных
печах .............. 123
З. Кризисные явления в рудном rребне . . . . . . . . . . . 135
4. О выборе высоты доменной печи . . . . . . . 143
rлава v
ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛОВОй РАБОТЫ ДОМЕННЫХ ПЕЧЕй
ПРИ КОМБИНИРОВАННОМ ДУТЬЕ . . . . . . . . . . . . . . 147
1. Анализ основных условий, определяющих эффективность доменной
плавки на комбинированном: дутье 6 . . . . 6 . . 6 . . . . . .. 149
247
2. Использование теории комбинированноrо дутья для оценки работы
.' доменных печей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3. Пример расчета параметров доменной плавки на комбинированном
дутье .........................,.....
r л а в а VI
ТЕПЛОВОЕ СОСТОЯНИЕ ДОМЕННОй ПЕЧИ И УПРАВЛЕНИЕ ИМ
]. Определение тепловOI'О состояния доменной печи . . . . . . . . .
2. Комплексные показатели тепловоrо состояния верхней зоны печи. .
3. Комплексные показатели тепловоrо состояния нижней зоны печи. .
4. Информационно управляющая модель доменноrо процесса
Библиоrрафический список ...............
Предметный указатель . . . . . . . . . . . . . . '. . . . . . . . . .
ИВ NQ 545
Борис Иванович КИТАЕВ,
Юрий rаврилович ЯРОШЕНКО,
Евrений Леонидович СУХАНОВ,
Юрий Николаевич ОВЧИННИКОВ,
Владимир Серафимович ШВЫДКИй
ТЕПЛОТЕХНИКА ДОМЕнноrо ПРОЦЕССА
Редактор издательства М. Р. ЛАНОВСI\АЯ
Художественный редактор r. А. ЖЕrин
Технический редактор В. А. ЛЫI\ОВА
Корректоры В. Б. ЛЕВИН, В. П. КРЫЛОВА
Переплет ХУДОЖНика В. В. ВОРОНИНА
i
Сдано в набор 20.01.78. Подписано в печать 12.07.78. Т-12299. Формат бумаrи
60X901J16. Бумаrа типоrрафская N!? 1. rарнитура литературная. Печать
высокая. Леч. Л. 15,5. Уч.-изд. л. 18,22. Тираж 1400 экз. Заказ 97.
Изд. N!? 3161. Цена 3 р. 10 к.
Издательство «Металлурrия», 119034, Москва, r 34,
2 й Обыденский пер., 14
Ленинrрадская типоrрафия Н2 8 «Союзполиrрафпрома»
при rосударственном комитете Совета Министров СССР
по делам издательств, полиrрафии и книжной торrовли.
190000. Ленинrрад, Прачечный пер., 6.
\....
164
177
181 '
181
190
203
214
239
245
"
;