Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Развитие представлений о ходе процессов в горне доменной печи, ихматематическое моделирование 7
1.1. Процессы, происходящие перед фурмами доменной печи 8
1.1.1. Процессы горения 9
1.1.2. Количество жидких фаз, проходящих через фурменный очаг, и степень окисления составляющих чугуна 12
1.1.3. Движение материалов и газов перед фурмами доменной печи
1.2. Осевая зона малоподвижных материалов 22
1.3. Поведение жидких фаз в горне доменной печи 26
1.4. Режимы выпусков чугуна и шлака 35
1.5. Математические модели доменного процесса 38
1.6. Постановка задачи исследования 48
Глава 2 Процессы перед воздушной фурмой доменной печи 50
2.1. Особенности движения материалов перед фурмой и в «приочаговой» зоне 50
2.2. Уточнение механизма горения топлива 56
2.3. Количество продуктов плавки, проходящих через фурменные очаги доменной печи, и степень окисления в них железа чугуна
2.4. Влияние процессов вторичного восстано вления железа на механизм движения и обновления кокса в горне доменной печи 62
2.5. Выводы по главе 2 66
Глава 3. Особенности поведения чугуна и шлака в горне доменной печи 67
3.1. Методика проведения эксперимента и обоснование выбора установки 67
3.2. Результаты экспериментов и их обсуждение 75
3.3. Расчетный метод определения зависимости радиуса инверсионной воронки от времени выпуска шлака 79
3.4. Определение формы линии пересечения образующей выпускной воронки с горизонтальной поверхностью раздела «газ-шлак» 83
3.5. Выводы по главе 3 86
Глава 4. Уточнение некоторых положений математических моделей с учетом новых данных 88
4.1. Размеры осевой зоны малоподвижных материалов 89
4.2. Уточнение элементов математических моделей фурменного очага 92
4.2.1. Механические процессы в фурменном очаге 92
4.2.2. Физико-химические процессы 98
4.3. Математическое моделирование движения продуктов плавки и очертания поверхностей раздела «газ-шлак» и «шлак-чугун» в горне доменной печи 105
4.3.1. Расчет образующей поверхности раздела «газ-шлак» 106
4.3.2. Расчет объема остающегося в горне шлака 107
4.4. Выбор и обоснование рационального режима выпусков. 110
4.5. Выводы по главе 4 111
Заключение 113
Библиографический список
- Количество жидких фаз, проходящих через фурменный очаг, и степень окисления составляющих чугуна
- Количество продуктов плавки, проходящих через фурменные очаги доменной печи, и степень окисления в них железа чугуна
- Определение формы линии пересечения образующей выпускной воронки с горизонтальной поверхностью раздела «газ-шлак»
- Математическое моделирование движения продуктов плавки и очертания поверхностей раздела «газ-шлак» и «шлак-чугун» в горне доменной печи
Количество жидких фаз, проходящих через фурменный очаг, и степень окисления составляющих чугуна
Трудно переоценить роль фурменных очагов в горне доменной печи, этих генераторов тепла и восстановительных газов. В них, прежде, всего обеспечивается сгорание топлива с образованием высокотемпературных восстановительных газов и высвобождением обьема, что является основной причиной движения шихтовых материалов.
Почти четыре столетия объем доменной печи ограничивался, в основном, количеством подаваемого в нее дутья, развитием воздуходувных средств. С организацией инженером Махотиным в 1743 г. подачи дутья через две фурмы и применением в 1755 г. паровой воздуходувной машины Вилькинсона в Англии появилась возможность увеличения в несколько раз производительности доменной печи. С тех пор влияние характеристик дутья и фурменных очагов в доменном процессе непрерывно возрастало и в конечном итоге они, наряду с параметрами колошника, стали определять предел интенсивности плавки.
Процессы перед фурмами доменной печи можно разделить на механические и физико-химические. По значимости можно выделить три основных взаимообусловленных явления: горение кокса и топливных добавок, окисление составляющих первичного расплава, механические процессы.
Процессы горения кокса и вдуваемых топливных добавок в фурменных очагах служат главным источником высокотемпературного тепла, восстановительных газов и являются основной причиной опускания шихтовых материалов в доменной печи. Долгое время процесс горения топлива у фурм рассматривался исключительно с позиций теории горения в слое [7], что объясняется недостаточной мощностью воздуходувных средств. По мере развития техники и совершенствования технологии ведения доменной плавки, выявился ряд явлений, которые стало невозможно объяснить исключительно теорией слоевого горения топлива [8]. Наряду с термодинамическим подходом к физико-химическим процессам в фурменных очагах потребовалось привлечение молекулярно-кинетической теории [9,10].
После работ Эллиота, Бюкенена, Вегстаффа [11] за рубежем и И.П.Бардина, М.Я. Остроухова, Л.З. Ходака, Л.М. Цылева с сотрудниками [12,13] в СССР, была предложена модель фурменного очага с зоной циркуляции. Использование ее наряду с выявленным влиянием скоростей химических реакций и диффузией газов к реагирующей поверхности позволило почти полностью объяснить характер изменения состава газа по оси воздушных фурм, хотя остался ряд противоречий. Так, например, состав газа в фурменных очагах, при постоянном соотношении топливная добавка/дутье и одинаковом содержании кислорода, несомненно будет зависеть от количества проходящего через фурменные очаги первичного расплава и степени его окисления.
Процессы горения углерода связаны с четырьмя химическими реакциями: 2С + 02 =2СО +400,428 Мжд; (1) С + 02=С02 +117,845 Мдж; (2) 2СО +1/202 = 2С02+282,583 МДж; (3) С02 + С = 2СО -165,797 МДж. (4) Первые две реакции в условиях доменного процесса протекают необратимо, реакция (3) приобретает значительное развитие при температурах, редко достижимых в доменном процессе за исключением кислородной зоны фурменного очага, а реакция (4) идет в прямом направлении при высоких температурах, и обратном - при низких. Какими бы путями не шли процессы горения, конечный состав продуктов горения будет регулироваться равновесием реакций (3) и (4).
Первая из них определяет результат при избытке 02 , вторая - при избытке углерода [10]. При высоких температурах горение углерода в СО происходит до полного использования 02 при отсутствии избытка последнего. Избыток 02 ведет к догоранию СО в С02, однако полнота этого процесса зависит от температуры.
При температуре выше 1700 - 1800 К наряду с С02 образуется (или переходит в продукты без догорания) СО. Вышеизложенное относится к конечным продуктам реакций , однако, в пределах фурменного очага и особенно его кислородной зоны, большое влияние на наблюдаемый состав газа будет оказывать механизм протекания процесса. При этом процесс горения углерода в кислородной части фурменной зоны представляется в следующем виде [14]:
При взаимодействии кислорода дутья с кусками нагретого кокса на поверхности последнего образуются кето-кетенные комплексы СхОу, которые разрушаются с образованием С02 и СО. В присутствии кислорода СО нацело догорает до С02.
Количество продуктов плавки, проходящих через фурменные очаги доменной печи, и степень окисления в них железа чугуна
Горн доменной печи - наименее изученный элемент ее рабочего пространства. Если информации о протекании физико-химических процессов еще довольно много, то механические — представляют загадку до настоящего времени.
Чугун и шлак, непрерывно образующиеся в доменной печи и накапливающиеся в горне, периодически выпускаются из него. На многих современных работающих доменных печах, в связи с совершенствованием режима выпусков, шлаковые летки закрыты и законсервированы или вообще не запроектированы, поэтому жидкие продукты плавки выпускают через чугунные летки.
Накопление в горне и совместный выпуск двух резко отличающихся по свойствам жидкостей обусловливает целый ряд особенностей их поведения: периодическое накопление чугуна и шлака в межкусковых пустотах коксовой насадки горна и выпуск их с изменением силового взаимодействия кокса и жидких продуктов плавки, сопровождающееся перемещениями части или всего слоя кокса в горне [65, 66]; образование во время выпусков уклонов чугуна и шлака, обеспечивающих наряду с давлением газа их фильтрацию к выпускному отверстию [67]; выход чугуна из "мертвого" слоя и образовавшейся в результате разгара лещади ямы через чугунную летку [68] и ряд других явлений. При этом многие данные противоречивы, в частности - о соотношении количеств жидких фаз, стекающих через ФО и минуя их. На рис. 1.7 приведены данные о накоплении и выдаче продуктов плавки в условиях отработки верхнего шлака (А) и при совместном выпуске чугуна и шлака (Б) [17,65]. Шлак в современных условиях работы накапливается непрерывно, до начала выхода его из горна. Расплавы из горна доменной печи вытекают не только под дейст Динамика накопления и выпуска продуктов плавки с удалением (А) и без удаления ) верхнего шлака [17]. Ш - верхняя граница слоя шлака;Ч - то же чугуна; ШЛ - ось шлаковой летки;ВЧ - выпуск чугуна вием их уклона к выпускному отверстию, но и преимущественно под давлением газов, превышающим гидростатическое давление слоев чугуна и шлака.
Вязкость шлака в 50-150 раз выше чем вязкость чугуна, кроме того шлак весь путь к выпускному отверстию проходит через коксовую насадку, в то время как чугун в некоторых случаях начинает фильтроваться через нее только после опускания кокса в горне до уровня чугунной летки (в случае вытеснения кокса жидкими продуктами плавки )
Поверхность раздела «шлак-чугун» в горне доменной печи при накоплении располагается горизонтально, в то время как поверхность раздела «шлак-газ»может оказаться выпуклой (грибообразной) под действием реактивной силы струй дутья, если уровень шлака (при пе-
реполнении горна) приближается к горизонту фурм. [Япония]
Поверхность раздела «газ-шлак» при выпуске чугуна образует уклон к чугунной летке под тем большим углом, чем больше вязкость шлака, хуже дренажная способность кокса и чем выше скорость выпуска [69]. Авторы [69, 70] полагают, что уклон шлака определяется образованием воронки в чугуне над леткой, особенно при высоком давлении газа. В своей работе по моделированию поверхности раздела «газ-шлак» в прозрачной модели с полистероловыми кусочками (кокс) и маслом (шлак) [70], они получили картину, подобную схеме образования дренажной воронки при откачке грунтовых вод. Однако данные ими рекомендации по увеличению количества выпусков и диаметра летки являются необоснованными, что подтвердила практика работы доменных печей, так как число выпусков необходимо увязывать с приближением уровней продуктов плавки к оптимальному (0,7), а увеличение диаметра летки приведет к ранней продувке летки и увеличению количества остающегося в горне печи шлака. По мнению Н.Н.Бабарыкина [17] в районе чугунной летки во время выпуска образуется местное понижение уровней чугуна и шлака, превосходящее по размерам вертикальную протяженность в 1,5-1,8 раза (рис 1.8).
В.П. Тарасов [71] считает, что при выпуске «... поверхность к концу выпуска приобретает форму, подобную депрессионной воронке с наклоном в сторону летки.». На основании работ [72-74], он совершенно справедливо полагает, что количество остающегося шлака в горне в момент прорыва горновых газов через чугунную летку зависит от его горизонтальной скорости фильтрации через коксовую насадку, и предлагает рассчитывать ее по следующей формуле, предложенной Новохатским A.M. [76] ( с учетом, что критерием дренажных условий в
Определение формы линии пересечения образующей выпускной воронки с горизонтальной поверхностью раздела «газ-шлак»
Можно выделить три основных состояния фурменного очага: устойчивое, неустойчивое и разрушение. Для устойчивого состояния характерно значительное превышение подъемной силы газового потока в слое кокса на выходе из полости сил вертикального давления столба шихты и архимедовой. Циркуляция кусков кокса невозможна. Если в этот момент производить скоростную киносъемку, то результат будет соответствующий - отрицание циркуляции [44].
По мере разгара полости и увеличения ее размеров в результате переориентации кусков, а также снижения температур в результате регенерации С02 и Н20 в приграничном слое подъемная сила уменьшается. Наступает равновесие ее, и сил, способствующих разрушению полости перед фурмой, или неустойчивое состояние фурменного очага, а затем и само разрушение полости. В эти мгновения циркуляция кокса неизбежна. И для этого совсем необязательна циркуляция газа перед фурмой. Куски кокса, которые остались не прижаты к стенкам выходящими из полости газами, будут перемещаться с верхнего купола к фурме той частью газа, которая должна выйти из полости в направлении стен. А эта часть, как известно, обладает значительной величиной количества движения. К тому же, в результате эжекционно-го эффекта вылетающей из фурмы газо-воздушной струи, между стенкой полости и струей создается пониженное давление, способствующее возвращению части газа к фурме и даже подсосу газов в рыхлую часть из коксовой насадки прифурменной зоны.
С точки зрения механики целесообразно деление зоны горения (синоним этому термину - фурменный очаг) на рыхлую и плотную части или подзоны. Это логично потому, что в определенные моменты циркуляции кокса может и не быть.
Сущность саморегулирования размеров рыхлой части заключа 53 ется не в постоянстве реагирующей поверхности кусков кокса [21] , а в соотношении сил, стремящихся разрушить и создать ее. А регулируют это соотношение не только изменения внешних условий ( дутьевой и шлаковый режимы, тепловое состояние горна, гранулометрический состав материалов и их распределение, состояние профиля и т.д. ), но и внутренних ( масса окислителей на единицу поверхности рыхлой части). При обрушении кокса в рыхлую часть горение будет иметь характер вспышки [41], температуры возрастут, скорости выхода газа также, слой циркулирующего кокса уплотнится. Поверхность рыхлой части зоны горения минимальна, доля окислителей на единицу поверхности увеличится. Толщина плотной части зоны горения станет больше.
Газификация кокса в рыхлой и плотной частях зоны горения происходит одновременно. Толщина плотной части , в которой идет в основном регенерация С02 и Н20 соответственно до монооксида углерода и водорода , может изменяться автоматически: больше рыхлая часть, меньше плотная, и наоборот. Может изменяться толщина плотной части зоны горения в зависимости от соотношения С02 и Н20, учитывая, что скорости регенерации их различны. Куски кокса при горении, регенерации С02 и Н20, истирании при циркуляции, уменьшаются в размерах, потом уносятся потоком газа в находящуюся вокруг засыпку из кокса. В слоях ее, где скорость движения газа падает настолько, что он не может больше нести частицы, последние скапливаются (явление кальматажа), существенно снижая газопроницаемость. Исключение составляют, может быть, участки над верхним сводом, где из-за частых перестроек структуры в связи с дискретным поступлением кокса в зону горения, в основном сверху. Расчетом можно довольно точно определить расстояние от границы рыхлой части до слоев, в которых начнут скапливаться частицы кокса опреде 54 ленной крупности. Наличие таких скоплений установлено экспериментом. Японские исследователи обнаружили на расстоянии 2,0-2,6 м от торца фурмы на печи с диаметром горна 14 м слои кокса, средний диаметр кусков которых составлял 4 мм, а содержание фракции 3 мм в них составило 20-50 % против 5-10 % в остальной части радиуса горна. Возможно, это одна из причин того, что протяженность фурменных очагов вдоль оси воздушных фурм увеличивается незначительно при существенном росте кинетической энергии дутья. При перестройке структуры коксовой насадки, имеющей место при выпуске продуктов плавки, газопроницаемость в местах сосредоточения мелочи может не повыситься.
Большая доля кокса в рыхлую часть зоны горения перед фурмой поступает через верхний купол ее. При этом дискретное опускание в нее кокса происходит не по всему контуру верхней части полости, а лишь по некоторому ее участку - устью. Наличие устья зоны потока сходящих в фурменный очаг материалов и возможность его смещения относительно вертикальной оси купола отмечалось в работах [59,112,113]. Смещение это объяснялось направлением циркуляции кокса [113] и газопроницаемостью центра печи [59].
После исследования [44] в категорической форме было заявлено, что большая часть кокса поступает через неустойчивую область, которая расположена непосредственно перед фурмой, т.е. устье постоянно смещено к воздушной фурме. Работами, выполненными на кафедре металлургии чугуна МГМИ [57,58], убедительно показано, что причиной смещения устья относительно вертикальной оси зоны рыхлой части является распределение газа на выходе из фурменного очага, точнее соотношение объёмов газа, выходящего из нее в направлении стен и к оси печи. Оно определяется газопроницаемостью периферийной и центральной зон, а также соотношением их объёмов и фактической скоростью дутья. В плоской модели нижней части печи зона потока и устье смещались в сторону, противоположную направлению выхода большего количества газа (рис.2.2) Выявленная особенность подтвердилась опытами на полукруглых и круглых моделях. Это явление нужно учитывать при выборе числа и параметров воздушных фурм, а также очертания заплечиков, чтобы непосредственно над фурменным очагом имело место наложение потоков интенсивно сходящих в него материалов и выходящих из него газов. Кроме того, желательно обеспечить такое расположение зоны потока, при котором будет равенство объемов сходящих материалов периферийной и центральной зон. Только при таком состоянии процесса будет достигнута высокая интенсивность плавки и обеспечена стойкость футеровки и системы охлаждения печи.
Математическое моделирование движения продуктов плавки и очертания поверхностей раздела «газ-шлак» и «шлак-чугун» в горне доменной печи
Если моделирование механических процессов в фурменном очаге важно, в основном, для задания граничных условий по расходам и скорости дутья, то описание химических и теплофизических процессов обеспечит построение полной математической модели всего доменного процесса.
Адекватность химической и теплофизической моделей фурменного очага определяется степенью учета всех происходящих в нем процессов. В большинстве существующих математических моделей [103,105,106,143 и др.], как правило, рассматривают только конечные продукты реакций ( количество Vr, состав VCOH и температуру Тг образующегося газа, количество сгорающего у фурм углерода кокса Мск). При этом не учитывают процессы окисления и вторичного восстановления составляющих первичного расплава и механизм расходования кислорода дутья под предлогом взаимной компенсации тепловых эффектов. Такой подход является оправданным при рассмотрении процессов выше оси воздушных фурм, однако, для моделирования тепло-и массообменных процессов в фурменном очаге [101, 144-146, и др.] и движения расплавов и кокса в горне печи [117, 147], необходимо знать количество и степень окисления элементов первичного расплава, а так же — эжектируемого в фурменный очаг СО горнового газа.
Разработанная с участием автора на кафедре металлургии чугу на МГМА, на основании данных [28], методика расчета массы прохо дящих через фурменные очаги чугуна и шлака и определения степени окисления железа[116] ( Приложение 1 ) позволяет, для конкретных условий работы доменной печи, рассчитать количество выделившего ся в фурменных очагах тепла от окисления железа чугуна и объем кокса из коксовой насадки горна, пошедшего на вторичное восстанов ление железа ниже оси воздушных фурм. Автор считает возможным принятие количества окислившегося в фурменных очагах железа ап риори, на основании данных отбора проб из фурменных очагов. Обо значим долю всего окислившегося в фурменных очагах железа aFe , тогда количество кислорода расходуемого по реакции [Fe]+1/202 - (FeO) составит: aFe М Fe V2V02 /22,4. (4.21)
Зная количество дутья Vfl и содержание в нем кислорода со можно определить долю кислорода дутья, расходуемого по данной реакции, и учесть разницу между теплом, выделившимся непосредственно в фурменном очаге по реакции С+ 1/Ю2— СО и по реакции [Fe]+! 02- (FeO). Тепловые эффекты этих реакций отличаются в -2,4 раза [13], что заметно скажется на температурном поле фурменного очага, особенно при отсутствии топливной добавки, уменьшающей окислительный потенциал дутья.
Автор считает, что тепловым эффектом реакций: [Si]+1/202- SiO [Si]+02- Si02 можно пренебречь из-за малых абсолютных количеств кремния в чугуне расходуемого по данным реакциям ( «3% от окислившегося железа). При математическом моделировании фурменного очага доменной печи [101] была разработана методика расчета количества эжек-тируемого в фурменный очаг горнового газа в зависимости от расходов дутья и размеров фурменного очага. В работе [115] автор предлагает другие способы определения количества подсасываемого струей дутья горнового газа по результатам отбора проб из фурменного очага. Оба они основаны на положении, что первоначальное резкое падение (-200 мм от среза фурмы) содержания кислорода ( при исключении влияния топливной добавки ) вызвано расходованием его на окисление СО горнового газа: Сущность первого способа состоит в пересчете количества СО горнового газа, пошедшего на связывание кислорода дутья: Vr3 = ( 2 Aco Vfl ) / СО , (4.22) где: 2 - стехиометрический коэффициент реакции 02 + 2СО — 2С02; А - падение содержания кислорода, % абс; Vfl - объем дутья, мЗ; СО - содержание СО в горновом газе, %.
Второй способ основан на сопоставлении фактического состава газа и рассчитанного на основании данных о количестве, форме размерах кусков кокса и его удельной поверхностной скорости горения. Недостатком этого способа является большая сложность в определении суммарной реагирующей поверхности кокса в фурменном очаге в каждый момент времени.
Расчет количества сгорающего в фурменных очагах СО горнового газа, не оказывая влияния на итоговый тепловой баланс, позволит получить более точное температурное поле внутри фурменного очага, и , через влияние снижения окислительного потенциала фурменных газов - зависимость степени окисления чугуна в фурменных очагах от диаметра фурм. Кроме того , появляется возможность расчета разницы между теоретической температурой горения Тг и наблюдаемой Тн из-за перемешивания эжектируемого горнового газа, имеющего меньший нагрев, с образующимся в фурменном очаге. При моделировании фурменного очага [101] в системе уравнений авторы учли эжекцию ( циркуляцию ) горнового газа в общем уравнении неразрывности:
