Удосконалення тепло-газодинамічної роботи в "сухій" зоні доменної печі з урахуванням зовнішніх теплових втрат

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність роботи. Складні умови енергозабезпечення, всезростаючі вимоги до надійної й економічної роботи доменної печі (ДП) вимагають створення більш оперативних і точних методів прогнозу теплоенергетичних та динамічних характеристик взаємодії газового потоку із шихтовими матеріалами в «сухій» зоні шахти і їх впливу на техніко-економічні показники доменної плавки. Вирішення цих питань пов'язане з визначенням погодженості й раціональності тепло-газодинамічного режиму обробки шихтових матеріалів стосовно до сформованих й перспективних шихтових і дуттьових умов, стану й теплової роботи системи охолодження печі.

Тому визначення впливу параметрів газового потоку, властивостей шихтових матеріалів (порозність, крупність кусків) і їх розподілу, роботи системи охолодження й стану огородження на використання теплового, відновного й газодинамічного потенціалів шахтного газу має важливе наукове й прикладне значення. Системне вивчення цих питань із використанням методів та математичного апарату механіки газів, і теплотехніки, даних оперативного контролю зовнішніх теплових втрат печі, на покриття яких припадає 2-10% від загальних витрат коксу, дозволяє поглибити знання про теплову роботу ДП, удосконалювати теорію й практику виробництва чавуну.

Мета та задачі дослідження. Удосконалення теплової й газодинамічної роботи «сухої» зони печі шляхом ефективного використання теплового і відновного потенціалів газового потоку та його розподілу з урахуванням величини зовнішніх теплових втрат, профілю шахти й конструкції системи охолодження, властивостей шихтових матеріалів, витрат енергетичних ресурсів і продуктивності печі.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні завдання:

• аналітичні й чисельні дослідження закономірностей розвитку тепло-газодинамічних процесів у «сухій» зоні шахти й оцінка їх впливу на витрати коксу й продуктивність печі в різних умовах доменної плавки;

• визначення геометричних розмірів периферійної зони й показників її теплової роботи з урахуванням теплообмінних процесів між огородженням (кожух, холодильники, футерівка, гарнісаж) і робочим простором печі;

• експериментальні дослідження величини зовнішніх теплових втрат у системі водяного охолодження доменної печі й розробка автоматизованого методу їх контролю;

• використання результатів дослідження тепло-газодинамічної роботи «сухої» зони печі при її задувці й проектному режимі експлуатації.

1. Аналіз балансових і тепло-газодинамічних методів, результатів аналітичних, чисельних і експериментальних досліджень теплової роботи ДП

Результати виконаного аналізу свідчать про недостатню вивченість теплової роботи периферійної зони шахти ДП та її впливу на показники доменної плавки. Показано важливість контролю зовнішніх теплових втрат, конструкції й параметрів огородження, роботи системи охолодження печі, організації й керування газовим потоком у шахті, раціонального його розподілу в поперечному перерізі, що забезпечують стійкість шахти й необхідні техніко-економічні показники.

Незважаючи на велику кількість теоретичних і експериментальних досліджень теплової й газодинамічної роботи печі, питанням комплексного вивчення сумісного протікання процесів теплообміну й газодинаміки в шахті ДП та її периферійній зоні з урахуванням теплової роботи системи охолодження, стану огородження, зовнішніх теплових втрат і їх впливу на показники роботи печі в умовах, що склалися, доменної плавки приділялося недостатньо уваги.

Виконаний аналіз літературних джерел показує, що для прогнозу показників доменної плавки з урахуванням впливу тепло-газодинамічних процесів, що протікають у шахті ДП і її периферійній зоні, доцільно використовувати принципи системного аналізу й блочного методу вивчення теплової роботи ДП. Спільне використання теплоенергетичної й тепло-газодинамічної моделей, інформації про зовнішні теплові втрати дозволить удосконалювати методи розрахунків і прогноз раціональних тепло-газодинамічних режимів роботи ДП у різних шихтових й дуттєвих умовах, починаючи з її задувки, а також розробляти рекомендації з удосконалення конструкції системи огородження й вибору футерівки для різних зон шахти ДП.

У другому розділі викладені результати досліджень теплової роботи ДП, виконаних з використанням теплоенергетичної моделі, методу контролю величини зовнішніх теплових втрат і результатів їх вимірювання. Для аналізу впливу газодинамічних режимів на тепловий стан печі з використанням математичної моделі «сухої» зони шахти уточнені закономірності й дана кількісна оцінка процесів теплообміну й газодинаміки в шахті з урахуванням впливу її конструкції, параметрів газового потоку, його розподілу й властивостей шихтових матеріалів.

Для вимірювання, контролю й наступного обчислення загальних теплових втрат у системі охолодження ДП ПАТ «АрселорМіттал Кривий Ріг» об'ємом 2000, 2700 і 5000 м3 розроблено метод і схему вимірювання загальних теплових втрат, виконано їх ручні заміри. Похибка вимірювання теплових втрат у системі водяного охолодження ДП при ручному замірі склала 5ч21%.

Результати ручних замірів зовнішніх теплових втрат, які отримані калориметричним методом, дозволили підвищити точність розрахунків балансовим методом теплоенергетичних параметрів і техніко-економічних показників доменної плавки на 2-10%, оцінити нестабільність зміни в часі зовнішніх теплових втрат і витрати коксу на їхнє покриття, обчисленого за залежністю І. . Семикіна:

, кг/т чавуну, (1)

де QВРП - зовнішні теплові втрати робочого простору печі, МВт; С - КВП вуглецю коксу в печі; =33412 кДж/кг повна теплота згоряння вуглецю коксу; СК - вміст вуглецю в коксі, %; Р - продуктивність печі, т/год.

Витрати коксу на покриття зовнішніх теплових втрат становить 10-50 кг/т чавуну або 2-10% від загальних витрат коксу. ДП №6 ПАТ «АрселорМіттал Кривий Ріг», що працює з периферійним газорозподілом, має витрати коксу на покриття зовнішніх теплових втрат 22-38 кг/т чавуну. Це на 10-25 кг/т чавуну більше, ніж у печей аналогічного об'єму, що працюють із центральним газорозподілом.

У шахті печі зовнішні теплові втрати становлять 20-50% від їхньої загальної величини в ДП, на покриття яких для ДП №6 витрачається 4-19 кг коксу/т чавуну. Величина зовнішніх теплових втрат у шахті печі визначається розвитком теплообмінних процесів у протитечії газів і шихтових матеріалів в «сухій» зоні шахти, з урахуванням її конструкції й параметрів роботи системи охолодження, газового потоку, його розподілу й властивостей шихтових матеріалів.

Для описування тепло-газодинамічних процесів в «сухій» зоні ДП використовується модернізована математична модель (2-11), яка реалізована в середовищі Visual Fortran, доповнена межовими умовами й залежностями розподілу геометричних і теплофізичних властивостей шихти й газу в шахті печі, що уточнюють розрахунки теплового стану периферійної зони.

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

де індекси g, s і w - газ, шихта й вода (пара), z, r - циліндричні координати; порозність шихти, р, u та Т - тиск, швидкість та температура, - густина, g динамічний коефіцієнт в'язкості газу, що обчислюється за залежністю Саттерленда; Фw=1+ztg - вираз для перетворення координат; - кут конусності шахти печі; ds і Фs середній діаметр і коефіцієнт форми кусків шихти відповідно; Mg і Ms масові витрати газу й шихти; Rg газова стала; С теплоємність; Кv об'ємний коефіцієнт тепловіддачі між газом і шихтою, що обчислюється за залежністю Б.І. Китаєва; R0 - радіус колошника; s коефіцієнт теплопровідності твердих часток, w коефіцієнт тепловіддачі від стінок холодильника до води (пари) в охолоджуваній зоні (від кожуха до повітря в неохолоджуваній); hgar, hp, hnm, hс, hzс - товщина й gar, p, nm, c, zc коефіцієнт теплопровідності гарнісажу, футерівки, набивної маси, тіла й трубки змійовика холодильника в охолоджуваній зоні (кожуха в неохолоджуваній) відповідно; Мw масові витрати води (пари) горизонтального ряду холодильників; Nc число горизонтальних рядів охолодження на розглянутій ділянці печі; (Tw)i температура води (пари) на вході в холодильники ряду з номером i.

Для настроювання математичної моделі виконані розрахунки та їх порівняння з результатами експериментальних і теоретичних досліджень, які показали їх добру збіжність:

§ розподіл температури, тиску по радіусу й висоті в шахті печі, виконаних S.P. Kinney і Л.А. Бялим;

§ розподіл температур при задувці печі, виконаних фірмою «Ніппон кокан», «Сумітомо кіндзоку гоке», Б.І. Китаєвим і Ю.Г. Ярошенко;

§ розподіл температур у периферійній зоні, виконаних П.Г. Васильєвим;

§ зовнішніх теплових втрат, виконаних О.В. Бородуліним і С.М. Андоньєвим;

§ розподіл тиску в шахті печі, виконаних О.А. Томашем.

Наведена математична модель була використана для прогнозування тепло-газодинамічних режимів роботи при задувці ДП №9 ПАТ «АрселорМіттал Кривий Ріг».

З використанням тепло-газодинамічної моделі «сухої» зони шахти уточнені закономірності й дано кількісну оцінку процесів теплообміну й газодинаміки в шахті ДП залежно від витрат і температури шахтного газу, тиску колошникового газу, порозності й крупності кусків шихти.

Підтверджено, що витрати шахтного газу, який продувається через шар шихтових матеріалів, у порівнянні з іншими параметрами газового потоку, властивостями шихтових матеріалів мають визначальний вплив, на їх прогрівання, зміни температури, тиску й швидкості газового потоку. Зменшення витрат шахтного газу на 10%, за інших однакових умов, призводить до уповільнення теплообмінних процесів і зменшення газодинамічного напору в шахті ДП: температура шихти, теплові втрати, перепад тиску, швидкість газу зменшуються, у середньому, на 15ч20%.

Найбільший вплив на перепад тиску здійснює порозність і крупність кусків шихти в межах їх зміни 0,20,3 м3/м3 і 530 мм, відповідно.

Використання модернізованого тепло-газодинамічного методу розрахунку дозволяє прогнозувати вплив витрат шахтного газу на перепад тиску в шахті печі, його узгодження з робочим діапазоном перепаду тиску, порозністю шихтових матеріалів і тиском колошникового газу (рис. 3). Областю 1 на рис. 3 (а, в) показано робочий діапазон перепаду тиску в шахті печі, який змінюється від 0 (витрати газу дорівнюють 0) до максимальної величини. Максимальна величина робочого діапазону перепаду тиску в шахті печі визначається як Р= Рдут-Ркол-Рфурми-розпар+зр; тиск дуття (Рдут) становив 2,5 атн; тиск колошникового газу (Ркол) варіювався від 0,5 до 1,5 атн. Перепад тиску газу на ділянці фурми - розпар і зона розм'якшення (Рфурми-розпар+зр) за даними роботи В.М. Щедріна та О.А. Томаша становить близько 0,5-0,7 атн.

Встановлено, що збільшення тиску колошникового газу, за інших однакових умов, приводить до зменшення робочого діапазону перепаду тиску в шахті печі. Це підвищує вимоги до якості шихти й, відповідно, до критерію Du приводить до погіршення газодинамічної стійкості печі. При низькій газопроникності шихтових матеріалів для стійкої газодинамічної роботи печі доцільно організовувати роботу на зниженому тиску колошникового газу або знижувати витрати дуття (вихід колошникового газу).

З використанням тепло-газодинамічної моделі визначено вплив нерівномірності розподілу газового потоку по радіусу печі на протікання теплообмінних і газодинамічних процесів при збереженні середньої газопроникності шихти в горизонтальних перетинах. Установлено, що розподіл газового потоку, за інших однакових умов, впливає на зміну середньої по перерізу або об'єму температури газу й шихти, тиску й швидкості газу на ~1ч5%, зовнішніх теплових втрат у шахті на ~10ч20%.

Виконані дослідження впливу газорозподілу на закономірності розвитку теплообмінних процесів в «сухій» зоні шахти показали, що економічно більш вигідний варіант центрального газорозподілу за рахунок зниження зовнішніх теплових втрат, що узгоджується з висновками, отриманими при аналізі експериментальних досліджень печей із центральним і периферійним газорозподілом. На підставі виконаних досліджень і отриманих результатів видані рекомендації, спрямовані на підвищення надійності роботи огородження печі.

3. Результати досліджень впливу закономірностей розвитку теплообмінних процесів в «сухій» зоні шахти на витрати коксу й продуктивність печі

Запропоновано метод визначення геометричних розмірів периферійної зони й теплоенергетичних параметрів її роботи з урахуванням теплообмінних процесів між огородженням (кожух, холодильники, футерівка, гарнісаж) і робочим простором печі.

Наведені в другому розділі аналітичні й чисельні дослідження впливу параметрів газового потоку, його розподілу й властивостей шихтових матеріалів на розвиток теплообмінних процесів в «сухій» зоні шахти дозволили, з використанням синтезу теплоенергетичної й тепло-газодинамічної моделей, установити їхній вплив на продуктивність і витрату коксу в ДП.

За результатами аналітичних і чисельних досліджень установлено, що за інших однакових умов найбільший вплив на розвиток теплообмінних процесів і техніко-економічні показники (продуктивність печі, витрати коксу) здійснює загальна теплова потужність (склад і кількість дуття).

Наприклад, для ДП об'ємом 2000 м3 ПАТ «АрселорМіттал Кривий Ріг» зниження витрат дуття на 10% при збереженні концентрації кисню й інших однакових умовах призводить до зменшення загальної теплової потужності печі й, незважаючи на зростання КВП по печі, продуктивність печі та витрати коксу зменшуються, в середньому, на 5-7% і 3-4% відповідно. При збереженні постійної величини зовнішніх теплових втрат і температури колошникового газу зниження витрат дуття на 10% призводить до зменшення продуктивності печі та витрат коксу на 9-10% і 2-3% відповідно.

Меншою мірою знижує продуктивність печі й збільшує витрати коксу збільшення температури шахтного газу на вході в шахту печі, за інших однакових умов, через зростання зовнішніх теплових втрат і збільшення температури колошникового газу, зниження КВП і зменшення засвоєної теплової потужності (табл. 1-2). Збільшення тиску колошникового газу, зменшення середньої порозності й крупності куска шихти, за інших однакових умов, з одного боку, приводить до зростання зовнішніх теплових втрат, а з іншого до зменшення температури колошникового газу, і як наслідок, до збільшення КВП по печі. Залежно від величини приросту цих величин продуктивність печі й витрати коксу або збільшуються, або зменшуються.

Для визначення величини впливу системи охолодження на поле температур у шахті печі, яке відмінне і залежить від конструкції й параметрів огородження, роботи системи охолодження й тепло-газодинамічного режиму роботи печі, запропоновано метод визначення меж периферійної зони ДП.

Для визначення меж периферійної зони введено поняття про тепловий примежовий шар у шахті ДП. Товщина теплового примежового шару в шахті печі визначається як шар поблизу стінки, у якому ; де Т - температура газу, r - радіус печі.

З використанням чисельних методів моделювання тепло-газодинамічних процесів у шахті печі й отриманих з їх допомогою результатів установлено, що система охолодження впливає на теплообмін у пристінній зоні на змінну глибину порядку 200-700 мм. Для печей об'ємом 2000 - 5000 м3, у середньому, по висоті це становить 3-10% від радіуса печі або 5-20% від площі поперечного перерізу печі.

Використання методів математичного моделювання дозволило встановити, що визначальний вплив на зміну товщини теплового примежового шару в шахті й температури шихти на її стінці, температури робочої поверхні шахти, здійснюють товщина футерівки, витрати й температура шахтного газу, порозність і крупність кусків шихти. Температура й витрати води в системі охолодження здійснюють незначний вплив на зміну товщини теплового примежового шару в шахті печі.

Розміри центральної зони визначалися з використанням інформації про фактичний розподіл складу колошникового газу за даними радіального відбору проб газу. У першому наближенні, за аналогією з визначенням розмірів периферійної зони за зміною градієнта температур прийнято, що межею центральної зони є точка, у якій градієнт зміни радіального складу газу прямує до нуля. Це допущення дозволяє оцінити середній склад колошникового газу за трьома зонами печі: центральною, проміжною й периферійною.

Отримані розміри центральної зони узгоджуються з даними В.І. Логінова, які при рудному навантаженні 03,5 становлять 0,81,9 м, її оптимальні розміри 0,30,4 радіуса печі, за даними інших авторів 0,270,43 радіуса печі. З використанням інформації про розміри периферійної, проміжної й центральної зон, величини зовнішніх теплових втрат і склад колошникового газу зпрогнозовані техніко-економічні показники роботи цих зон і печі в цілому.

Основна частка продуктивності печі (80-90%) визначається тепловою роботою центральної й проміжної зоною печі, інші 10-20% - периферійною зоною. При цьому витрати коксу на покриття зовнішніх теплових втрат у центральній і проміжній зонах, що працюють в адіабатному режимі, близькі до нуля, а в периферійній зоні досягають 4-10 % і вище від питомої витрати коксу по печі в цілому й залежать від величини зовнішніх теплових втрат.

У периферійній зоні середній ступінь використання СО має високе значення, а ступінь прямого відновлення заліза rd низьке через недостачу теплоти і її витрати на покриття зовнішніх теплових втрат.

Раціональне керування тепловою роботою периферійної зони ДП дозволяє знизити теплові навантаження в цій зоні, що є резервом підвищення КВП, засвоєної теплової потужності, ступеня прямого відновлення заліза rd, а, отже, і росту продуктивності на 7-8%, і зниження питомої витрати коксу на 4-5% по печі в цілому.

У четвертому розділі наведені результати промислового випробування наукових результатів дисертаційної роботи на ДП №9 ПАТ «АрселорМіттал Кривий Ріг» об'ємом 5000 м3. Викладені результати розрахунків тепло-газодинамічного режиму роботи печі в період задувки, отримані з використанням теплоенергетичної й тепло-газодинамічної моделей, термографічного методу контролю розігріву шахти, методики моніторингу зовнішніх теплових втрат печі й виконано їх аналіз. Дано рекомендації із задувки печі з застосуванням нагрітого азоту. Розроблено і реалізовано у складі АСУ ТП ДП №9 метод контролю загальних теплових втрат у системі водяного охолодження, який дозволяє підвищити ефективність оперативного управління тепловим режимом роботи печі.

З використанням теплоенергетичної й тепло-газодинамічної моделей розроблено, обґрунтовано й частково реалізовано програму задувки ДП із застосуванням нагрітого азоту через низьку його концентрацію в дутті. З технічних причин азоту подавалося в 1,5 - 2 рази менше запланованого, а температура дуття була нижчою, в середньому, на 200С.

Чисельними розрахунками й експериментальними дослідженнями зовнішніх теплових втрат у системі охолодження встановлено, що при задувці потрібно понад 15 годин для прогріву огородження печі. Потужність холостого ходу при задувці печі до випуску першого чавуну становить 50% від загальної теплової потужності печі.

Визначальний вплив на формування сприятливих тепло-газодинамічних умов у задувочний період роботи печі після її завантаження здійснюють загальна й засвоєна теплова потужність печі.

Домінуючими факторами, що дозволяють забезпечити прогрів шихтових матеріалів по всій висоті ДП, є витрати й температура дуття. Фактором, що сприяє поліпшенню прогріву шихтових матеріалів по висоті ДП без порушення її рівності «ходу», є збагачення дуття нагрітим азотом, що дозволяє підняти температуру дуття при задувці з 500-700С до 1000С і вище, знизити КВП у горні й збільшити його по печі в цілому на 0,1.

Висновки

доменний теплообмінний водяний

1. Аналіз досвіду доменного виробництва, розвитку уявлень і методів розрахунку доменної плавки вказує на важливість контролю й урахування зовнішніх теплових втрат, прогнозування розвитку тепло-газодинамічних процесів для обґрунтованого вибору економічного й надійного режиму експлуатації печі.

2. Уточнені закономірності й дано кількісну оцінку впливу параметрів шахтного газу, стану шахти, конструкції системи охолодження, тиску колошникового газу, порозності й крупності куска шихти на розвиток теплообмінних, газодинамічних процесів у шахті й зовнішні теплові втрати, що дозволило уточнити прогноз техніко-економічних показників доменної плавки.

3. Установлено вплив витрат шахтного газу на перепад тиску в шахті печі, його узгодження з робочим діапазоном перепаду тиску, порозністю шихтових матеріалів і тиском колошникового газу. При низькій газопроникності шихтових матеріалів для стійкої газодинамічної роботи печі, доцільно організовувати роботу на зниженому тиску колошникового газу або знижувати витрати дуття (вихід колошникового газу).

4. На підставі теплофізичних уявлень про тепловий примежовий шар розроблено й реалізовано метод визначення меж периферійної зони, теплоенергетичних параметрів її роботи, їх впливу на теплову й відновну роботу газового потоку в печі. Дано кількісну оцінку факторів, які впливають на розміри теплового примежового шару в шахті доменної печі й установлено, що його товщина по висоті шахти змінюється в діапазоні 200-700 мм.

5. Установлено вплив залишкової товщини футерівки, витрат і температури шахтного газу, порозності й крупності куска шихти, температури і витрат води в системі охолодження на температури в периферійній зоні й можливість розвитку в ній явища інверсії температурного поля, що є причиною викривлення профілю шахти й утворення охолоді.

6. На основі математичного моделювання й узагальнення результатів розрахунків розроблено і реалізовано на ДП №9 ПАТ «АрселорМіттал Кривий Ріг» тепло-газодинамічний режим задувки, що дозволяє забезпечити сприятливі умови для прогріву шихтових матеріалів по висоті й радіусу печі. Нагрітий азот є найкращою з існуючих енергетичних добавок в період задувки доменної печі. Дослідження показали, що його використання дозволяє: підняти температуру дуття при задувці до 1000оС і вище; знизити КВП у горні й збільшити його по печі в цілому на 0,1; формувати центральний газорозподіл; знизити теплові навантаження на систему огородження печі; підвищити стійкість тепло-газодинамічного режиму роботи печі; зменшити витрати коксу в середньому на 15%; закласти базис для надійної, тривалої й ефективної роботи печі й обслуговуючих її агрегатів.

7. Розроблено і реалізовано у складі АСУ ТП ДП №9 ПАТ «АрселорМіттал Кривий Ріг» метод контролю загальних теплових втрат у системі водяного охолодження, який дозволяє підвищити ефективність оперативного управління тепловим режимом роботи печі.

Література

1. Бородулин А.В. Влияние процессов теплообмена в периферийной зоне на работу доменной печи / А.В. Бородулин, А.Л. Чайка, А.А. Сохацкий, А.Г. Шевелев // международный научный журнал Acta Universitatis Pontica Euxinus Специальный выпуск. - 2010. - Том I (2). ? С. 60 - 65.

2. Чайка А.Л. Разработка мониторинга технического состояния ограждения доменной печи / А.Л. Чайка, А.В. Бородулин, А.А. Сохацкий, Г.Т. Цыганков, А.И. Швачка // Металлургическая теплотехника: Сб. научн. трудов. - Днепропетровск: НМетАУ, 2005. -Т. 2. - С. 383-392.

3. Сохацкий А.А. Математическое моделирование и анализ процессов тепломассобмена и газодинамики в верхней зоне доменной печи с целью обеспечения надежной работы ограждения / А.А. Сохацкий, И.А. Лукьяненко, Г.Т. Цыганков, А.Л. Чайка, А.Г. Шевелев // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. ? 2007. ? Вып. 14. ? С. 50 - 59.

4. Чайка А.Л. Оценка условий и надежности работы элементов ограждения доменной печи / А.Л. Чайка, И.А. Лукьяненко, А.А. Сохацкий, С.П. Сущев, Е.И. Шумельчик, Г.Т. Цыганков // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. ? 2007. ? Вып. 15. ? С. 47 - 53.

5. Сохацкий А.А. Исследование тепловой работы доменной печи в период ее задувки с применением нагретого азота / А.А. Сохацкий // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. ? 2008. ? Вып. 18. ? С. 21 - 31.

6. Сохацкий А.А. Исследование процессов тепломассообмена в шахте доменной печи и их влияние на показатели доменной плавки / А.А. Сохацкий, А.Л. Чайка, А.Г. Шевелев // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. ? 2010. ? Вып. 21. ? С. 75- 87.

Размещено на Allbest.ru