Введение к работе
Актуальность. Доменный процесс характеризуется многообразием и сложностью явлений газодинамики, движения шихты, теплообмена, восстановления, размягчения и других. Исследование этих явлений в доменной печи с целью выявления резервов эффективности ее работы - снижения расхода кокса и повышения производительности - сопряжено с большими финансовыми, технологическими и техническими трудностями. Поэтому использование математических моделей в изучении доменной плавки, при разработке систем контроля и управления доменным процессом имеет большое значение. Роль математических моделей возрастает при недостатке информации о явлениях, происходящих в печи, такой как температуры шихты и газа, давление и состав газа, степени восстановления железа в объеме печи.
Характерная особенность доменного процесса - завершенность теплообмена, связанная с противоточным движением шихты и газа и различным теплопотреблением в верхней и нижней зонах печи. Это обеспечивает высокую степень использования тепла в доменной печи и делает ее по прежнему перспективным агрегатом для производства чугуна. Однако неравномерность распределения потоков шихты и газа по радиусу и окружности печи, связанная с особенностями фурменного подвода дутья, систем загрузки, профиля печи, вызывает и неравномерное развитие явлений газодинамики, теплообмена, восстановления в объеме печи. В снижении этой неравномерности и кроется, наряду с повышением качества железорудного сырья, один из основных резервов снижения расхода кокса и повышения производительности доменной печи. Изучение, учет и прогноз явлений доменной плавки на основе математических моделей при радиальной и окружной неравномерности во взаимосвязи с изменением параметров дутья и систем загрузки, состава шихты и качества железорудного сырья, элементов конструкции печи, - необходимое условие совершенствования технологии доменной плавки.
Известные математические модели доменного процесса не охватывают все задачи, которые, как в отдельности, так и в различных сочетаниях, представляют большой практический интерес, например.
анализ влияния металлургических свойств железорудного сырья (восстановимое, прочности, температур размягчения и плавления) на показатели доменной плавки в условиях неравномерного движения потоков шихты и газа; аналитическое исследование доменной плавки новых видов комплексного сырья, планируемых к использованию в связи с истощением железорудной базы Урала, в том числе, в условиях уменьшения запасов коксующихся углей; исследование влияния конструктивных элементов на характер двумерных температурных и скоростных полей и оптимизация профиля доменной печи; исследование явлений доменной плавки при разработке новых технических решений; анализ и выдача рекомендаций при аномальных явлениях доменной плавки - окружной неравномерности, кризисном явлении в рудном гребне, тихом ходе, нарушении графика выпусков; определение эффективности мероприятий, направленных на снижение расхода кокса, сравнение эффективности работы доменных печей, находящихся в различных сырьевых и дутьевых условиях и др.
Поэтому актуальной является разработка аналитического метода исследования доменного процесса, позволяющего решать эти задачи.
Работа выполнялась в соответствии со следующими программами и постановлениями:
ГНТП "Ресурсосберегающие и экологически безопасные процес- сы горно-металлургического производства (ЗКОГОРМЕТКОМЛЛЕКС БУДУЩЕГО)";
постановление АН СССР и МЧМ СССР № 470/122 от 20.02.86 "Разработка мероприятий по совершенствованию технологии переработки концентратов Лисаковского ГОКа в доменных печах Карметком-бината".
госбюджетные темы Института металлургии УрО РАН: "Изучение металлургических свойств железорудных материалов и математическое моделирование процессов тепло- и массообмена в металлургических процессах при производстве чугуна" (№ гос. per. 81030359); "Изучение металлургических свойств железорудных материалов и разработка математических методов анализа слоевых металлургических процессов" (№ гос. per. 0186120764); "Исследование и разработка технологических схем переработки комплексного железорудного сырья на основе экспериментального и математического моделирования слоевых пирометаллургических процессов"; "Разработка технологии металлургического передела комплексных руд Урала с применением атомной
энергии", (» гос. per. 79003865), которые были включены в координационные планы научно-исследовательских работ по направлениям 2.26 РАН "Разработка физико-химических основ и процессов комплексного использования металлургического сырья", "Разработка теории и технологии пирометаллургических и электротермических процессов производства металлов и сплавов".
Цель работы. Разработка метода аналитического исследования доменного процесса на основе комплекса двумерных математических моделей, позволяющего проводить машинный эксперимент по изучению явлений доменной плавки, в том числе для новых технических решений и при отклонениях от нормального режима работы, анализировать влияние различных параметров, включая металлургические свойства комплексного железорудного сырья, на показатели доменной плавки и температурные поля шихты и газа, местоположение и форму зоны ко-гезии, с учетом неравномерности потоков шихты и газа, что связано с решением следующих задач:
разработка комплекса двумерных математических моделей;
проверка адекватности и адаптация моделей;
анализ влияния параметров шихты и дутья на характер двумерных и трехмерных температурных и скоростных полей;
исследование аномальных явлений доменной плавки;
анализ изменения процессов газодинамики и теплообмена в объеме доменной печи при использовании новых технических решений;
целенаправленное формирование качества железорудного сырья и промышленное исследование влияния его восстановимое на показатели доменной плавки;
изучение использования высокопотенциального тепла при переработке комплексного железорудного сырья;
разработка методики и определение эффективности мероприятий, направленных на снижение расхода кокса.
Научная новизна. Разработан новый метод аналитического исследования доменного процесса, предусматривающий двумерный контроль и прогноз газодинамических и температурных полей в любом вертикальном сечении печи при изменении параметров дутья и систем загрузки, состава шихты и качества железорудного сырья, элементов конструкции (высов и диаметр фурм, объем и профиль печи).
В основу метода положен комплекс двумерных математических моделей доменного процесса, включающий модели газодинамики, теп-
лообмена, восстановления, а также балансовую, позволяющую определить расход кокса, расход дутья, выход газа, температуру фурменного очага, используемые как входные параметры двумерных моделей. Каждая из составляющих комплекса математических моделей обладает элементами новизны:
Балансовая (равновесная) штелюжіческая любель. На основании анализа работы многих доменных печей принято, что в определенной зоне печи на стадии восстановления магнетита реакция восстановления вюстита стремится к термодинамическому равновесию, которое связано с фактически реализуемым в доменной печи зональным режимом восстановления оксидов железа и реакциями регенерации СО и Н2, зависящими от давления. Эта модель позволила разработать новую методику определения эффективности доменной плавки.
Математическая модель газодинамики. Практически реализована методика расчета газодинамической сетки и поля скоростей газа с использованием теории функций комплексного переменного при решении задачи о точечном источнике. Учитывается реально существующий в доменной печи закон изменения давления по высоте.
Математическая модель теплообмена. Получено аналитическое решение задачи о нагреве слоя при противоточном движении шихты и газа в случае произвольного изменения по высоте печи коэффициента теплоотдачи, теплоемкости потока газа и отношения теплоємкостей потоков шихты и газа, с использованием поля скоростей газа.
Мшпештическоя дюбель восстановления. Выполнено численное решение системы дифференциальных уравнений массообмена и восстановления при введении в нее в явном виде модуля скорости газа, получаемого из математической модели газодинамики, а также с учетом зависимости суммарного коэффициента массообмена как от температуры, так и от степени восстановления.
Практическая ценность работы заключается в создании нового метода исследования доменного процесса, существенно расширяющего круг решаемых задач. Это иллюстрируется:
исследованием температурных и скоростных полей при аномальных явлениях доменной плавки - кризисном явлении в рудном гребне, неравномерном распределении дутья и угольной пыли по фурмам, тихом ходе, нарушении графика выпусков,- и выработкой рекомендаций по их устранению;
анализом температурных и скоростных полей при использова-
ний новых технический решений в доменном производстве с целью повышения их эффективности - обогащение дутья кислородом, вдувание угольной пыли, изменение профиля доменной печи;
выполнением анализа местоположения и формы зоны когезии при плавке титаномагнетитовых и бурохромистых руд;
решением задач целенаправленного формирования структуры и металлургических свойств агломерата, позволяющих снизить расход кокса в доменной плавке;
проведением анализа повышения эффективности переработки комплексного сырья путем использования высокопотенциального тепла;
разработкой метода определения эффективности мероприятий, направленных на снижение расхода кокса, и сравнения эффективности работы доменных печей, находящихся в различных условиях;
выполнением анализа эффективности работы доменных печей металлургических предприятий России.
Реализация результатов работы. Разработанный метод аналитического исследования доменного процесса на основе комплекса математических моделей был использован при выполнении следующих работ:
Расчетный анализ эффективности работы доменных печей ВПО "Союзметаллургпром" в 1976-1982 годах. В результате этой работы согласно приказу If 137 от 06.06.83 МЧМ СССР методику расчета было рекомендовано использовать для оценки эффективности работы доменных печей и эффективности мероприятий, направленных на снижение расхода кокса.
Расчетный анализ эффективности работы доменных печей ВПО "Союзметаллургпром" в 1986-1988 годах.
Внедрение. технологии агломерации и доменной плавки агломерата из бурохромистой руды с пониженной массовой долей монооксида железа на металлургическом заводе им.А.К.Серова в декабре 1983 г. В результате уменьшения FeO на 2, 5% расход кокса был снижен на 1,4 кг на тонну чугуна. Долевой экономический эффект Института металлургии составил 108012 рублей в год.
Внедрение технологии агломерации и доменной плавки агломерата из лисаковского фосфористого агломерата с пониженной массовой долей монооксида железа на Карагандинском металлургическом комбинате в январе-апреле 1986 года. При уменьшении FeO на
ЗХ расход кокса был снижен на 3,2 кг на тонну чугуна. Долевой экономический эффект Института металлургии составил 139125 рублей при общем эффекте 927498 рублей в год.
Внедрение комплекса математических моделей на Нижнетагильском металлургическом комбинате и Чусовском металлургическом заводе для решения практических задач доменных цехов.
Внедрение комплекса математических моделей в Уральском государственном техническом университете - Уральском политехническом институте. Карагандинском металлургическом институте (г.Те-миртау, Республика Казахстан), Магнитогорской горно-металлургической академии путем использования в учебном процессе.
Апробация работы. Материалы работы доложены и обсуждены на международных, всесоюзных, республиканских конференциях, совещаниях, семинарах: Всесоюзных семинарах "Проблемы автоматизированного управления доменным производством", Киев, 1979, Жданов, 1985, Киев, 1987; Шестой научно-технической конференции УПИ. Свердловск, 1980; Научно-технической конференции "Применение вычислительных средств для расчета металлургических агрегатов", Свердловск, 1980; Совете директоров ВПО "Союзметаллургпром", Новокузнецк, 1983; Первом и Втором координационных совещаниях "Разработка теоретических основ создания металлургических комплексов' на новой металлургической основе", Москва, 1981, 1983; Второй областной конференции "Актуальные проблемы атомной науки и техники", Свердловск, 1985; Научно-техническом семинаре "Газодинамика и механика движения газов в шахтных печах", Свердловск, 1986; Всесоюзном симпозиуме "Кинетика, термодинамика и механизм процессов восстановления", Москва, 1986; Научно-технической конференции "Пути улучшения газомеханики металлургических шихт", Караганда, 1987; Всесоюзной научно-технической конференции "Физико-химия процессов восстановления металлов", Днепропетровск, 1988; восьмой Международной конференции доменщиков "ВИТКОВИЦЕ-1989", Острава, ЧССР, 1989; Шестом Всесоюзном совещании по химии, технологии и применению ванадиевых соединений. Нижний Тагил, 1990; Национальной научно-технической конференции с международным участием "Новые и усовершенствованные технологии для окускования сырья и производства чугуна и ферросплавов", Варна, Болгария, 1990; Седьмом Всероссийском совещании по химии, технологии и применению ванадиевых соединений, Чусовой, 1996; Первой конференции "Новые техноло-
гии в металлургии", Магнитогорск, 1997.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 39 печатных работ и получено 1 авторское свидетельство.
Структура и объем диссертации. Диссертация изложена на 291 стр., включая 187 стр. основного текста, 74 рисунка, 37 таблиц, состоит из введения, 6 глав, заключения, списка использованной литературы из 269 наименований и 4 приложений.
На защиту выносится. Новое крупное достижение в развитии теории металлургических процессов - метод аналитического исследования доменного процесса на основе разработанного комплекса двумерных математических моделей.