Введение к работе
Актуальность работы. Постоянное увеличение производства черных металлов и улучшение их качества является материальной основой технического прогресса.
В настоящее время наиболее важной задачей народного хозяйства является перевод экономики на интенсивный путь развития и более рациональное использование производственного потенциала страны. Для успешного решения этой задачи в черной металлургии необходимы разработки новых теоретически и экспериментально обоснованных технологий и процессов, а также усовершенствование существующих.
Одним из основных направлений развития доменного процесса в современных условиях отечественной и зарубежной наукой и практикой признано совершенствование загрузки доменных печей большого объема, что вызвано имеющимся резервом организации потоков шихты и газов, а также значительными изменениями качественного состава доменной шихты, произошедшими за последние 15-20 лет. В жзлезорудной части шихты появился новый вид сырья-окатыши, резко отличающийся своими физико-механическими свойствами от агломерата; качество самого агломерата улучшилось при некотором ухудшении качества кокса из-за все возрастающего дефицита коксующихся углей. Все это ^обусловило возникновение проблемы рационального соотношения и распределения новых компонентов шихты в доменной печи. Эта проблема может быть решена в основном за счет совершенствования загрузки и оптимизации газодинамического режима доменной плавки путем глубокого исследования процессов методами физического и математического моделирования.
Цель и задачи работы. Теоретические и экспериментальные исследования закономерностей взаимодействия шихты и газа в доменной лечи, разработка на их основе адекватных математических моделей распределения шихты и газа, позволяющих рационализировать процесс загрузки и оптимизировать газодинамический режим работы доменных печей, обеспечивающий лучиее использование газового потока, приводящий к увеличению производительности печи и снижешзо расхода кокса.
Для достижения поставленной цели решались следующие основные задачи:
на основе теоретического обобщения результатов исследований и технологического опыта были сформулированы и обоснованы рациональные принципы разработки математических моделей загрузки и газодинамики доменной плавки;
с учетом накопленного опыта создания математических моделей были разработаны детерминированные и стохастические модели загрузки и газодинамики доменной плавки, позволившие более глубоко проанализировать конкретные технологические ситуации и выдать технологические рекомендации для улучшения работы доменных печей;
в результате усовершенствования методов исследования доменного процесса было произведено описание закономерностей распределения газодинамических характеристик шихты в объеме доменной печи, обусловленных условиями загрузки, движением и изменениями физического состояния шихты;
для рационализации конструкций загрузочных устройств и оптимизации загрузки и газодинамики доменной плавки, были применены разработанные математические модели.
Научная новизна. Теоретические обобщения основных положений газодинамики, позволили разработать комплекс новых реше-' ний по оптимизации загрузки и распределению шихты и газа на колошнике.
Разработана математическая модель радиального распределения шихты, отличающаяся оригинальным подходом к формулировке задачи и полнотой охвата технологических факторов, реально действующих на процесс.
" Разработаны методы физического моделирования движения сыпучих сред применительно к доменному процессу. Получены критериально-эмпирические формулы истечения шихты из кольцевой щели "конус-чаша" и грузовых клапанов бункеров круглой и эллип- ' тической форм для определения начальной скорости доменной шихты.
Предложены рациональные методы маневрирования большим конусом и загрузки окатышей в доменную печь.
Разработана оригинальная математическая модель газодинамики верхней зоны доменной печи .с учетом радиального распределения шихты. Впервые предложена эмпирическая формула для определения порозности многокомпонентной и полидисперсной доменной шихты; разработан расчетно-эмпирический метод определения
локальной порозности в движущемся слое шихты, при помощи которого вскрыты закономерности и получена эмпирическая зависимость для расчета радиального распределения порозности в движущейся доменной шихте.
Впервые установлены газодинамические закономерности и произведена оценка влияния межслойных зон на общие потери давления в доменной печи; предложены оригинальные формулы для определения потерь давления и газораспределения з неравномерно распределенном слое шихтовых материалов. Предложены методы увеличения газопроницаемости пихты дозированным введением промежуточных фракций в железорудную часть шихты.
На основе системного анализа разработана иерархическая структура доменного процесса, из которой выделены локальные подсистемы газодинамики, базирующиеся на стохастических моделях и предложены методы их оптимизации.
Совокупность полученных результатов является теоретическим обобщением в области загрузки и газодинамики доменного процесса, которое направлено на решение крупной научной проблемы повышения эффективности доменного процесса, имеющей важное народнохозяйственное значение.
Практическая ценность работы определяется решением следующих научно-технических проблам:
разработкой расчетных методов радиального распределения шихты и газа на колошнике доменкой печи в реальных условиях;
определением практического решения использования математических моделей в улучшении конструкций загрузочных устройств и технологии загрузки;
предложением и реализацией оригинальных методов управления загрузкой шихты путем ступенчатого опускания конуса;
на основе математического моделирования определением условий разрыхления шихты при движении, предложением и опробованием на доменных печах разрыхлителей, позволяющих повысить газопроницаемость шихты;
разработкой иерархической структуры параметров доменного процесса, позволившей получить локальные стохастические модели загрузки и газодинамики доменной печи;
с испэльзованием стохастических математических моделей загрузки и газодинамики предложением метода оптимизации, позволяющим интенсифицировать доменный процесс в конкретных условиях.
Разработанные новые конструкции загрузочных устройств и рациональные методы загрузки, обеспечивающие повышение производительности и снижение расхода кокса, реализовывались в рамках республиканской комплексной целевой научно-технической программы "Металл" Минвуза СССР по программам Минчермета УССР и металлургических заводов.
Реализация результатов в промышленности. На доменных печах металлургического завода им.Г.И.Петровского внедрены: технология доменной плавки с вводом в агломерат промежуточных фракций кокса, позволившая увеличить производительность печи на 1,1>5 и снизить расход кокса на 1,4% за счет повышения газопроницаемости шихты к улучшения использования газового потока; метод ступенчатого маневрирования большим конусом, позволивший увеличить газопроницаемость верхней зоны печи, уменьшить дробление шихты на колошнике и таким образом увеличить производительность на 1-1.5% и снизить расход кокса на 0,2-0,4%; рациональный способ загрузки шихты, содержащей оптимальное количество окатышей, позволивший повысить производительность печи на 2% при незначительном снижении расхода кокса.
На доменных печах Криворожского металлургического комбината им. В.И.Ленина внедрены: работа доменных печей № 5,6,8 с оптимальными параметрами загрузки, установленными на основании статистических моделей газодинамики доменной плавки и последовательного симплексного поиска, обеспечившая увеличение производительности на 2% и снижение расхода кокса на 0,4%; работа доменной печи № 7 с рациональными системами загрузки шихты, содержащей различное количество окатышей, с увеличением производительности на 2,8%; работа доменкой печи }' 9 в период освоения с рациональными системами загрузки, полученными на основе оптимального поиска, позволившая снизить расход кокса на 0,47%.
Результаты исследований использованы УКРГИПР0МЕ30М при проектировании бесконусного загрузочного устройства для доменной печи В 6 металлургического комбината "Криворожсталь" им. В.И.Ленина.
Общий экономический эффект от внедрения технологических разработок составил I млн. 602 тыс.руб. в год. в ценах до 1990 г.|
Теоретические разработки автора внедрены в учебный про-
цесс кафедры металлургии чугуна Днепропетровского металлургического института в виде нового лекционного материала, .лабораторных работ и методических указаний по научно-исследовательским работам студентов для специальности II.01 - металлургия черных металлов.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на Всесоюзных и Республиканских научно-технических конференциях и семинарах: ыеявузовской научно-технической конференции по организации и регулированию хода доменного процесса. Магнитогорск, апрель, 1968; первой республиканской конференции молодых ученых-металлургов. -Днепропетровск, январь, 1969; научно-технической конференции "Газодинамика и механика движения шихты в доменных печах". -Свердловск, карт, I9C9; всесоюзной научной конференции "Теоретические основы металлургии чугуна". -Москва, январь, 1974; третьей республиканской научно-технической конференции молодых инженеров-металлургов. -Днепропетровск, декабрь, 1974; первой неучно-технической конференции "Молодые ученые - научно-техническому прогрессу в металлургии". -Донецк, июнь, 1977, всесоюзной научно-технической конференции "Пятилетке качества и эффективности - труд и поиск молодых металлургов". - Тула, октябрь, 1978; всесоюзном научно-техническом совещании "Проблема автоматизированного управления доменным производством". -Киев, октябрь, 1979; всесоюзной научно-технической конференции "Теория и практика современного доменного производства". -Днепропетровск, май, 1933.
Результаты работы апробированы на научно-технических семинарах кафедр металлургии чугуна Днепропетровского металлургического института, Московского института стали и сплавов, Магнитогорского горнометаллургического института им,Г.И.Носова, Днелродзержинского индустриального института им. М.И.Арсениче-ва; на объединенном заседании кафедр теплотехники металлургических печей и металлургии чугуна Уральского политехнического института им. С.М.Кирова, доменного отдела Всесоюзного научно-исследовательского института металлургической теплотехники и лаборатории пирометаллургических процессов Уральского научного центра АН СССР.
Материалы диссертации докладывались на ежегодных научно-технических конференциях завода им. Г.И.Петровского и комбината "Криворояссталь".
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в учебном пособии, монографии, 68 статьях и 20 авторских свидетельствах на изобретения.
Структура и объем работы. Работа состоит из 8 глав, включающих введение, 236 страниц машинописного текста, 65 иллюстраций, 20 таблиц, списка литературы из 193 наименований и приложения на 16 страницах.