Содержание к диссертации
Введение
1 Загрузка шихтовых материалов и контроль их распределения в доменной печи 8
1.1 Управление загрузкой шихтовых материалов в доменную печь 8
1.1.1 Бесконусное загрузочное устройство 8
1.1.2 Математическая модель загрузки доменной печи 13
1.1.3 Перечень физических феноменов, учитываемых в модели загрузки 15
1.1.4 Метод крупных частиц 18
1.2 Контроль параметров доменной печи при помощи зондов 21
1.2.1 Сканирующие зонды 24
1.2.2 Система непрерывного сканирующего зондирования 24
1.2.3 Автоматическая зондовая система для измерения распределения кокса в доменной печи 27
1.2.4 Автоматическая зондовая сканирующая система на заводе ЕКО Stahl Arcelor Gruppe (Германия) 32
ЬЗВыводы по разделу 35
2 Теоретические основы математической модели загрузки и автоматической зондовой сканирующей системы 38
2.1 Теория перколяции 38
2.1.1 Основные понятия теории перколяции 38
2.1.2 Перколяция как критическое явление 44
2.1.3 Критические показатели и масштабная инвариантность 45
2.1.4 Основные постулаты теории перколяции (для сыпучих систем) 47
2.2 Моделирование «поведения» частиц внутри столба шихтовых материалов 47
2.2.1 Изучения процесса перколяции реальных
шихтовых материалов на заводе ЕКО Stahl
2.3 Углы откоса 60
2.4 Порозность многокомпонентных сыпучих смесей 61
2.5 Выводы по разделу 70
3 Исследование порозности сыпучих многокомпонентных смесей 71
3.1 Проведение лабораторных опытов по измерению порозности сыпучих многокомпонентных смесей 73
3.1.1 Описание оборудования 73
3.1.2 Проведение экспериментов 75
3.1.3 Обработка результатов эксперимента 78
3.2 Выводы по разделу 86
4 Изучение свойств сыпучих шихтовых материалов 87
4.1 Опыты по измерению электрического сопротивления смесей металлических электропроводных шаров (ШЭПМ) диаметром 8 мм (имитирующих кокс) и металлических неэлектропроводных шаров (ШНЭПМ) диаметром 4,5 мм (имитирующих железорудные материалы), представляющих собой близкие к идеальным сыпучие смеси (с коэффициентом формы равным 1) 88
4.1.1 Описание оборудования 8 8
4.1.2 Проведение экспериментов 90
4.1.3 Математическая обработка полученных результатов 91
4.2. Опыты по измерению электрического сопротивления смесей металлических электропроводных шаров (ШЭПМ) диаметром 8 мм (имитирующих кокс) и неэлектропроводных шаров (ШНЭПМ) диаметром 4,5 мм (имитирующих железорудные материалы), представляющими собой близкие к идеальным сыпучие смеси (с коэффициентом формы равным 1) с использованием дополнительного уплотнения 92
4.2.1 Описание оборудования 92
4.2.2 Проведение экспериментов 94
4.2.3 Математическая обработка полученных результатов
4.3. Опыты по измерению электрического сопротивления смесей шихтовых материалов (кокса и агломерата) в условиях лаборатории МИСиС 100
4.3.1 Описание оборудования 100
4.3.2 Проведение экспериментов 102
4.3.3 Математическая обработка полученных результатов 104
4.4 Определение среднего размера кластера кокса 110
4.5 Статистическая обработка результатов лабораторных исследований 115
4.6 Выводы по разделу 118
5 Разработка датчика вида шихтовых материалов и его градуировка в условиях ОАО «НЛМК» 120
5.1 Промышленные опыты по измерению электрического сопротивления смесей шихтовых материалов (кокса и агломерата) в доменном цехе №1 на ОАО НЛМК ОАО «НЛМК» 120
5.1.1 Описание оборудования для градуировки 120
5.1.2 Проведение опытов 122
5.1.3 Математическая обработка полученных результатов 127
5.2 Сравнение полученных результатов с результатами промышленных опытов на заводе ЕКО Stahl Arcelor Gruppe (Германия) 134
5.3 Выводы по разделу 138
Заключение и выводы по работе 139
Публикации по материалам диссертации 144
Список использованных источников
- Перечень физических феноменов, учитываемых в модели загрузки
- Критические показатели и масштабная инвариантность
- Описание оборудования
- Опыты по измерению электрического сопротивления смесей металлических электропроводных шаров (ШЭПМ) диаметром 8 мм (имитирующих кокс) и неэлектропроводных шаров (ШНЭПМ) диаметром 4,5 мм (имитирующих железорудные материалы), представляющими собой близкие к идеальным сыпучие смеси (с коэффициентом формы равным 1) с использованием дополнительного уплотнения
Введение к работе
Актуальность работы:
Создание и применение бесконусных загрузочных устройств (БЗУ), оснащенных автоматизированными средствами контроля и управления и обладающих широкими возможностями управления распределением шихты, высокой долговечностью и ремонтопригодностью, явилось новым этапом в развитии оборудования и технологии доменной плавки. Высокая эффективность применения бесконусных загрузочных устройств может быть достигнута при квалифицированном технологическом сопровождении. Однако производственная проблема заключается в том, что без визуализации работы загрузочного устройства и распределения шихтовых материалов технологический персонал не в состоянии использовать все управляющие возможности БЗУ.
Данная проблема может быть решена с использованием математической модели загрузки Пауль Вюрт-МИСиС, которая позволяет визуализировать работу загрузочного устройства и распределения шихтовых материалов.
Математическая модель загрузки позволяет в режиме «ОФФ-ЛАЙН» разрабатывать различные методы и системы загрузки и прогнозировать результаты их применения. Одним из недостатков данной модели является задание неизменного значения порозности шихты, в то время как в реальности оно существенно колеблется.
Для получения реальной информации о распределении шихтовых материалов в работающей доменной печи разработана и применяется автоматическая зондовая сканирующая система (АЗСС) ТМТ-МИСиС.
Автоматическая зондовая сканирующая система - это эффективное средство для диагностики распределения шихтовых материалов в доменной печи, не имеющее в настоящее время альтернативы.
Необходимым условием для получения достоверных данных о распределении сыпучих материалов в доменной печи является знание их свойств с целью метрологической сертификации АЗСС, а также анализ факторов, влияющих на размывание порога перколяции смесей кокса и агломерата.
Для адекватной расшифровки сигналов датчика вида шихтовых материалов (ДВШМ) необходимо проведение промышленных опытов по его градуировке.
Комплекс, включающий в себя БЗУ Пауль Вюрт, математическую модель загрузки Пауль Вюрт-МИСиС и автоматическую зондовую сканирующую систему ТМТ-МИСиС, позволяет разрабатывать, реализовывать и корректировать различные эффективные методы и системы загрузки, дающие непревзойденную гибкость в управлении процессом доменной плавки.
Цели работы:
- Создание системы сбора информации, необходимой для расчета истинных
значений порозности в функции от фракционного состава шихтовых материалов, а также
создания алгоритма учета порозности загружаемой смеси в модели загрузки;
Развитие теоретических основ процессов, опираясь на которые, функционирует автоматическая зондовая сканирующая система и принципы работы самой системы;
Градуировка ДВШМ (в условиях ОАО «НЛМК»).
Научная новизна:
Получена новая информация о свойствах и поведении шихтовых материалов (кластерообразование, воспроизведение теоретического порога перколяции, образование вложенных порогов перколяции в смеси материалов различных фракций (>2), зависимость порозности смеси от ее гранулометрического состава), позволяющая техническому персоналу металлургических комбинатов и заводов производить оценку порозности в работающей доменной печи.
Введено понятие «эквивалентного слоя» - слоя из смеси фракций разного диаметра, эквивалентного слою шихтовых материалов в промышленных условиях в доменной печи, позволяющее с помощью расчетов давать оценку газопроницаемости (порозности) столба шихтовых материалов в работающей доменной печи.
В работе доказана недостоверность результатов применения известных ранее аналитических уравнений для оценки связи гранулометрического состава многокомпонентной смеси (число фракций >2) с ее порозностью. Предложено использовать новую алгоритмическую схему для анализа порозности столба шихтовых материалов - разработанный программный комплекс МАРСС (Математические Алгоритмы Расчета Сыпучих Смесей), основанный на методе оптимального приближения реальной смеси к экспериментальным данным.
Практическая значимость:
1. Разработан программный комплекс МАРСС, который дает возможность с
достаточной для практических нужд точностью производить оценку порозности в
работающей доменной печи. Это позволяет использовать его для математического
обеспечения модели загрузки и систем контроля распределения шихтовых материалов и с
высокой достоверностью производить оценку формы и положения зоны плавления в
работающей доменной печи.
2. Разработан датчик вида шихтовых материалов; произведена его градуировка в
промышленных условиях для применения на ДП №5 ОАО «НЛМК» и предложена его
кл асси фикация.
Реализация результатов работы:
- Зондовая сканирующая система принята для реализации на ДП №5 и новой ДП
№7 ОАО «НЛМК». Аналогичная система успешно функционирует на ДП № 5А завода
ЕКО Stahl GmbH (ArcelorMittal, Германия);
- Разработанный алгоритм учета порозности загружаемой смеси принят для
использования в новой версии математической модели загрузки доменной печи,
применяемой в настоящее время на множестве металлургических предприятий (ОАО
«НЛМК», ОАО «ММК», ОАО «Косогорский металлургический завод», ЕКО Stahl Arcelor
Gruppe (Германия)).
Публикации:
По материалам диссертации опубликовано 4 работы, из них 2 в изданиях по перечню ВАК РФ.
Структура и объем работы:
Перечень физических феноменов, учитываемых в модели загрузки
Загрузочное устройство доменной печи должно обеспечить надежную, безопасную загрузку и управляемое распределение шихтовых материалов по всей поверхности колошника. Каждый час в непрерывно работающую более 10 лет доменную печь загружается шихта (агломерат, окатыши, кокс и добавки) в количестве 1000 т, давление под колошником печи до 2,5 МПа [1]. Основные возможности управляемой загрузки шихтовых материалов закладываются в конструкцию непосредственно загрузочного устройства и в систему автоматики [2]-[4].
Исторически в доменном производстве получили развитие два типа загрузочных устройств, различающихся принципиально по виду распределителя шихтовых материалов на колошнике: конусный и лотковый [5].
Известное с XIX века загрузочное устройство с лотковым распределителем шихты постоянно совершенствуется изобретателями различных стран. Такие загрузочные устройства получили в мире название бесконусных (БЗУ).
На основе разработанных в 1891—1959 гг. доменщиками технических узлов и механизмов БЗУ (рисунок 1.1) ряд ведущих зарубежных и отечественных конструкторских и машиностроительных фирм и заводов создали в 1970—1980 гг. промышленные варианты загрузочных устройств с лотковым распределителем в виде желоба, воронки, склиза или ротора (рисунок 1.2) [6]-[10]. Наибольшее распространение на доменных печах получают в настоящее время надежные БЗУ фирмы «Пауль Вюрт». Известная инжиниринговая фирма «Пауль Вюрт» (Люксембург) разрабатывает и продает на мировом рынке наукоемкое промышленное автоматизированное оборудование, включая машины и механизмы для доменного производства. В 1969 г. фирма начала разработку БЗУ доменной печи с лотковым распределителем в виде желоба (рисунок 1.3).
Опыт создания и эксплуатации БЗУ позволяет сформулировать основные тенденции развития конструкции и способов загрузки шихты:
1) Расположение вращающихся распределителей шихты непосредственно над поверхностью засыпи, а также раздельная загрузка порций кокса и железосодержащих материалов повышают эффективность управления радиальным и окружным распределением шихты и газового потока;
2) Применение клапанного газоуплотнения повышает надежность и ремонтопригодность устройства, позволяет стабильно поддерживать давление газов в печи в течение всей кампании, уменьшает затраты на ремонт оборудования;
3) Использование централизованного гидропривода для управления работой клапанных механизмов БЗУ обеспечивает их компактность, уменьшает капитальные затраты, повышает точность, надежность и долговечность работы клапанов, шихтовых затворов и других механизмов;
4) Эффективность применения БЗУ может быть увеличена при оснащении печи современными средствами контроля распределения шихты и газов — профилемерами, термовизорами, устройствами измерения температуры, определения химического состава и давления газов по радиусу и окружности печи, а также современными автоматизированными системами диагностики состояния и режимов работы оборудования [12].
5) Применение БЗУ позволяет уменьшить эксплуатационные затраты, повысить степень использования энергии газов и уменьшить расход кокса. Наибольшая эффективность плавки может быть достигнута при корректировке программ загрузки шихты в соответствии с сырьевыми условиями и ходом печи;
6) Дальнейшее совершенствование конструкций и основных параметров узлов и механизмов БЗУ требует изучения особенностей их работы и взаимодействия, расчета траекторий движения потока шихты и отдельных фракций, разработки новых способов управления радиальным и окружным распределением шихты и методов их расчета.
Эффективность применения БЗУ определяется двумя составляющими — уменьшением эксплуатационных, особенно ремонтных, затрат и уменьшением расхода энергоносителей путем более гибкого управления распределением шихты и газового потока по сечению печи. Если первая составляющая реализуется непосредственно после установки БЗУ и требует лишь соблюдения правил эксплуатации и ремонта, то для реализации второй составляющей необходимы определенные усилия и высококвалифицированное технологическое управление ходом печи.
Установка БЗУ на всех вновь строящихся и реконструируемых печах стала одним из перспективных направлений повышения эффективности доменного производства. Дальнейшее совершенствование их конструкций, режимов работы и выбор оптимальных параметров может осуществляться на основе результатов исследования и расчета механизмов, режимов их работы и движения шихты при ее загрузке. Высокая эффективность применения БЗУ может быть достигнута при квалифицированном технологическом сопровождении и применении современных средств автоматического контроля и управления [13].
Математическая модель загрузки доменной печи Математическая модель загрузки доменной печи (рисунок 1.4) предназначена для разработки технологических режимов загрузки с повышенными технико-экономическими показателями на доменных печах, оснащённых бесконусным загрузочным устройством (БЗУ) фирмы «Пауль Вюрт».
С помощью модели загрузки производится визуализация распределения шихтовых материалов в пространстве доменной печи с оценкой формы и положения зоны плавления и других характеристик (распределение порозности и рудной нагрузки по радиусу доменной печи).
Технологические режимы разрабатываются персоналом доменных цехов на основе итерационного поиска наилучших систем загрузки доменной печи. При этом системная структура соответствует человеко-машинной системе управления с человеком-оператором в цепи обратной связи. Математическая модель загрузки выполнена в виде программно-аппаратурного комплекса, защищенного от несанкционированного доступа, и может быть установлена на любой доменной печи, оснащённой БЗУ фирмы «Пауль Вюрт» после процедуры адаптации к условиям данной печи.
Практическое применение математической модели уменьшает риск при подборе новых эффективных систем загрузки и сводит к минимуму или исключает вовсе ошибки технологического персонала при управлении доменным процессом благодаря эффекту «прозрачности» пространства доменной печи [14] [15].
Рисунок 1.4 - Математическая модель загрузки. »« at - mi a Практическое применение математической модели загрузки позволяет технологическому персоналу производить утилизацию шихтовых материалов с пониженными металлургическими свойствами [16] (мелкие фракции кокса и агломерата) и сократить, либо исключить вовсе, количество «пробных» неудачных систем загрузки, сопряженных с перерасходом кокса [17].
Метод математического моделирования поведения сыпучих хаотических систем относится к группе численных методов «крупных частиц» [18], т.е. система из сыпучих материалов определяется не по общим формулам, а по отдельным частицам (элементам), поведение которых определяется путем обращения к соседям и взаимодействия с ними по общефизическим законам.
Для воспроизводящего моделирования распределения шихтовых материалов в доменных печах используется аналог численного метода "крупных частиц". 2) Загрузка материалов при движении лотка от стенки печи к центру и от центра к стенке, в том числе загрузка материалов между станциями. 3) Действие силы Кориолиса при движении материалов по лотку БЗУ (точка отрыва материалов от края лотка). 4) Форма траектории шихтовых материалов, определяемая по двум экспериментально точкам, измеряемых балками на двух уровнях, либо по результатам видеосъёмок.
Моделирование траектории шихтовых материалов на лотке и в свободном падении после точки отрыва от лотка производится с помощью формальных уравнений, в частности квадратичных полиномов. Попытки моделировать поведение шихтовых материалов с помощью общефизических уравнений нецелесообразны как вследствие теоретических трудностей, так и вследствие трудозатрат, нереализуемых в контексте данной задачи.
Коэффициенты полиномов являются настроечными параметрами. Для настройки модели траекторий используются экспериментальные данные. 5) Углы откоса (углы залегания) шихтовых материалов, определяемые по экспериментальным данным. Экспериментальные данные включают в себя динамические явления, влияющие на углы откоса (падение материалов на поверхность засыпи и вибрация). Углы залегания слоев шихтовых материалов образуются в доменных печах под воздействием динамических ударов микрообъемов шихты при загрузке. Эти углы не соответствуют справочным данным о естественных углах откоса штабеля шихтовых материалов. В реальных системах проявляется также феномен сложных зависимостей углов залегания от того, какие материалы находятся в смеси. 6) Вероятные форма и положение зоны плавления в- функции от распределения порозности по радиусу доменной печи, определяемые на основе корреляционных связей между распределением. 7) Образование эффективной порозности слоя шихтовых материалов в шахте доменной печи с учётом процессов просачивания (перколяции) материалов (например, окатышей в кокс) и пристеночных эффектов. Для оценки интенсивности перколяции использовано понятие «степень перколяции» [13]: объёмная доля материала верхнего слоя, поглощённая нижележащим слоем, фракционный состав и порозность которого регламентируются, по истечении 750 секунд при вибрации с частотой 1 Гц, при этом объёмы слоев и мощность (амплитуда) вибрации регламентируются характеристиками использованного оборудования.
Критические показатели и масштабная инвариантность
Решение заключается в том, что программа последовательно активизирует элементы e(i, j). Активизируемый элемент производит опрос узлов, которые располагаются вокруг него (на рисунке узлы 1-8), и их атрибутов. В процессе этого опроса происходит взаимодействие атрибутов элементов по заранее определённым «правилам», которые отражает механические, физические, либо химические взаимодействия.
Далее активированный элемент ведёт себя в соответствии с этими правилами, например: - перемещается на место другого элемента; - падает вниз, если под ним элемент с атрибутом «пустота»; - вступает с соседним элементом в химическую реакцию и т.д.
Данный алгоритм носит циклический характер, и опрос системы производится до тех пор, пока она не придёт в стационарное состояние. Это означает, что при любой схеме активирования узлов и опросе их соседей никакого взаимодействия между элементами системы больше не происходит. Перемещение элементов больше невозможно, т.к. перед каждым из них непреодолимое препятствие в виде других элементов или стенки агрегата; импульс поглощён трением, вязкими ударами и равен нулю; химические взаимодействия закончены и система пришла в состояние термодинамического равновесия, и т.д. В принципе возможна и «бесконечная» работа программы, если в агрегат непрерывно поступают новые материалы и энергия. Типичным примером такой непрерывно работающей системы (а значит, и программы) является доменная печь или Мидрекс-реактор: сыпучие материалы поступают в агрегат непрерывно, продукты процесса периодически удаляются из агрегата, энергия поступает в агрегат непрерывно и равновесие в химических реакционных системах практически никогда не достигается. 1.2 Контроль параметров доменной печи при помощи зондов
В последнее время находят применение средства для зондирования внутреннего объема доменных печей на различных горизонтах с измерением состава газов, их температуры, давления и отбором проб материалов [19]. Толщину слоев рудных материалов и кокса измеряют с помощью электромагнитного зонда, позволяющего также определять плотность, газопроницаемость и распределение мелочи в слоях шихты. Для определения траектории схода шихтовых материалов с лотка БЗУ используют электроконтактные зонды. Применение указанных устройств на доменной печи №5 «Северстали» повысило надежность полученных данных, сократило трудозатраты, обеспечило успешное освоение работы доменной печи и достижение проектных показателей в более короткие сроки1 [20].
Наибольшее распространение за рубежом получили зондовые системы одного из лидеров рынка - фирмы ТМТ (совместного предприятие Paul Wurth и Dango & Dienenthal). Основные типы зондовых систем ТМТ приведены на рисунке 1.7 и в таблице 1.1.
Практика применения таких зондов на доменных печах выработала рациональный режим зондирования, при котором зондом пользуются один раз в смену, если в газораспределении печи нет серьезных отклонений от средних показателей.
На некоторых печах с бесконусными загрузочными устройствами применяются зонды для определения траектории падения шихтовых материалов. Принцип их действия основан на снятии информации с тензодатчиков, связанных с пластинами, закрепленными на несущей трубе [21].
Вводом зондов управляют на специальных площадках или дистанционно с пульта управления доменной печью. Радарный профилемер Аналогичные подвижные горизонтальные зонды применяют на ряде отечественных доменных печей. Например, НПО «Черметавтоматика» разработало и внедрило на ряде заводов системы автоматического контроля распределения параметров газового потока (САК ГП). Находившаяся в эксплуатации САК ГП доменной печи №6 объемом 3200 м3 НЛМК обеспечивала автоматический контроль содержания оксида и диоксида углерода, водорода и температуры доменного газа по сечению верха шахты под уровнем засыпи. Применение системы обеспечило повышение производительности печи на 0,4 %, экономию кокса на 0,6 % [22], [23].
На зарубежных доменных печах Германии, Японии, Франции и других стран получили распространение стационарные системы горизонтального зондирования. Конструкция этих зондов охлаждаемая и самофутерующаяся потоком шихты, что обеспечивает длительную и надежную их работу в условиях кратковременных критических температурных нагрузок до 1000 С. Наибольшее распространение на печах Германии, Австралии, Финляндии, США, Южной Кореи и других стран получили зонды-балки конструкции фирмы «Man GHH» (Германия), которыми оснащены более 30 доменных печей различного объема.
На ряде доменных печей Японии применяют для исследовательских целей и периодического контроля зоны плавления вертикальные зонды длиной более 20 м, содержащие термопары, газообразные трубки и световоды для измерения температуры, состава газов и яркости свечения материалов. Аналогичные вертикальные зонды применяют на ряде мощных доменных печей Германии.
Принцип измерения электрической проводимости загружаемых материалов с целью получения информации об их распределении известен давно. При этом используются различия в электрическом сопротивлении частиц кокса и шихты. В области температур до 600С электрическое сопротивление частиц кокса составляет 0-4 Ом, а сопротивление частиц железорудной шихты лежит в области МОм [24]. В литературе описаны подобные контактные зонды, причем некоторые из них были использованы в ходе проведения исследований в доменных печах [25], [26].
До настоящего времени по своей конструкции и методам измерения использовали устройства в виде стационарных зондов и измерительных балок. В случае использования таких устройств в печи ниже уровня колошника фиксируются только различия в сопротивлении по глубине установки (по радиусу печи). Однако устройства подобной конструкции не нашли широкого применения в промышленности из-за сильных изгибающих напряжений, действующих в печи на стационарную измерительную балку. Цель установки устройства выше уровня колошника заключается в определении электропроводности подаваемых при загрузке печи материалов. Даже при таком расположении устройства из-за ограниченного числа контактов по длине зонда (1-10 кусков) невозможно получить достоверную информацию о распределении шихты [27], [28].
Описание оборудования
Дополнительно АЗСС может комплектоваться системой компьютерной диагностики работы доменной печи с визуализацией параметров внутреннего состояния агрегата.
АЗСС может быть интегрирована в любую измерительно-информационную систему современных доменных печей.
Технико-экономический эффект от применения АЗСС обусловлен получением достоверной информации о распределении кокса и железорудных, материалов в работающей доменной печи. В условиях «прозрачности» доменной печи с позиции контроля структуры столба шихтовых материалов возможны следующие технологические решения и управляющие воздействия [39]:
1) замена части высококачественного кокса его мелкими фракциями (до 20 %) без нарушения газодинамики доменной плавки и снижения ее технико экономических показателей;
2) основанный на контроле распределения кокса и железорудных материалов в доменной печи быстрый подбор специальных систем загрузки, обеспечивающих желаемое распределение газовых потоков по радиусу доменной печи, размеры «коксовой отдушины» в центре печи либо ее отсутствие, а также контроль формы и положения зоны плавления и интенсивности газовых потоков у стенок шахты и т.д.;
3) применение систем загрузки с учетом процессов перколяций (просачивания) шихтовых материалов в нижележащие слои, что предоставляет дополнительные возможности для регулирования и перераспределения газовых потоков благодаря созданию в столбе шихтовых материалов локальных зон с плотными газодинамическими упаковками (газодинамических пробок);
4) замена части высококачественного агломерата его мелкими фракциями и сырыми рудами (до 20 %) и их рациональное размещение в столбе шихтовых материалов, что также дает дополнительные возможности для регулирования газораспределения и получения «промывочного» эффекта в коксовой насадке в нижней зоне доменной печи;
5) подбор систем загрузки, исключающих неконтролируемое распределение утилизационных материалов (мелких фракций кокса и агломерата, сырых руд) и окатышей по радиусу доменной печи, а также обеспечивающих их точное размещение в структуре столба шихтовых материалов (в частности, в удерживающих впадинах в нижележащих слоях) с целью предотвращения нарушений газо- и гидродинамики доменной плавки;
6) надежный контроль распределения шихтовых материалов наряду с регулированием газораспределения и теплового состояния, что позволяет снизить тепловой резерв доменной печи и среднее содержания кремния в чугуне и уменьшить его разброс при приемлемом содержании серы, тем самым, поддерживая стабильные условия выплавка низкокремнистото чугуна;
7) уменьшение удельного расхода высококачественного кокса за счет, его частичной, замены мелким коксом при высоком расходе углеродосодержащих добавок в дутье (угольная пыль, мазут, природный газ, пластмассы). Извлечение из шихты крупнокускового кокса неизбежно сопровождается ухудшением газо- и гидродинамических условий доменной плавки, что может быть компенсировано только подбором специальных систем загрузки, наилучшим образом использующих крупнокусковой кокс столба шихтовых материалов. Разработка и подбор таких систем загрузки в условиях низкого удельного расхода крупнокускового кокса (менее 400 кг/т чугуна) не могут быть произведены без существенного технологического риска, который снижается или полностью исключается при достоверном измерении распределения шихтовых материалов в доменной печи. Эффективность использования АЗСС в данных условиях возрастает с использованием компьютерного программного комплекса для диагностики параметров внутреннего состояния доменной печи: распределения температуры и потоков газов в пространстве доменной печи, распределения и схода шихтовых материалов с учетом процессов их взаимной перколяции, формы и положения зоны плавления и т.д.
Автоматическая зондовая сканирующая система на заводе ЕКО Stahl Arcelor Gruppe (Германия) з С июня 1999 г. на доменной печи № 5А полезным объемом 2002 м фирмы ЕКО Stahl Arcelor Gruppe в Германии в промышленных условиях начали применять современную систему сканирования - зондирования, которая основана на введенном в 1998 г. в эксплуатацию фирмой Dango Dienenthal проникающем зонде HMS 210, который наряду с классическим принципом непрерывного измерения (сканирующий режим) рассчитан для определения температуры и состава газа по радиусу печи. Это позволило легко заменить классическую, измерительную головку на датчик нового типа для определения электрического сопротивления элемента столба шихты в печи и создать, таким образом, систему сканирования - зондирования. Общий вид горизонтального зонда АЗСС доменной печи №5А ЕКО Stahl (ФРГ) показан на рисунке 1.10.
Год эксплуатации новой измерительной системы позволил сделать следующие выводы [40]. Система зондирования в целом достаточно надежна и может эксплуатироваться полностью в автоматическом режиме. Такая оценка относится также к наиболее уязвимому звену системы измерительной головке, которая подвергается сильным механическим, абразивным и термическим нагрузкам в агрессивной газовой среде. Измерительную головку исследовали после более чем 300 введений зонда (3 измерительных циклов в течение двух недель) и установили, что износ кольцеобразных изолирующих элементов происходит интенсивней на нижней кромке, очевидно, из-за высоких абразивных нагрузок при выдвижении зонда внутрь столба шихты [13].
Опыты по измерению электрического сопротивления смесей металлических электропроводных шаров (ШЭПМ) диаметром 8 мм (имитирующих кокс) и неэлектропроводных шаров (ШНЭПМ) диаметром 4,5 мм (имитирующих железорудные материалы), представляющими собой близкие к идеальным сыпучие смеси (с коэффициентом формы равным 1) с использованием дополнительного уплотнения
Частицы загруженного материала последовательно «ищут» локальный минимум потенциальной энергии, соблюдая естественный угол откоса и учитывая свободные ячейки. Происходит просачивание агломерата в слой кокса. В конце загрузки верхнего слоя производится расчет результирующей порозности слоя (в нашем примере - 12,2 %.) (рисунок 2.18).
В данной модели приняты следующие допущения: 1) Область решения задачи является плоской (двумерной) в отличие от реальной трехмерной системы сыпучих материалов. Реальная перколяция трехмерна, и кластеры являются трехмерными объектами. 2) В модели частицы всех материалов имеют условно одинаковые размеры, обусловленные размерами ячейки координатной сетки. В математической модели перколяции, как и в физической, наблюдается формирование численного значения порога перколяции 59,27 % и характеристик кластеров в полном соответствии с общефизической теорией перколяции.
Перколяция шихтовых материалов оказывает большое влияние на работу доменной печи. Она влияет на газопроницаемость, скорость истечения газов, теплообмен между газом и шихтой, массообмен, положение зоны когэзии, образование коксовых окон, ход печи и т.д.
Обычно, в каждом доменном цехе принимают свои углы откоса для отдельных шихтовых материалов, которые не обязательно совпадают с данными других цехов. Причина этого заключается в разных физических свойствах (гранулометрический состав, плотность, структура поверхности и т.д.) шихтовых материалов. 2.4 Порозность многокомпонентных сыпучих смесей
Движение газов в печи происходит в противотоке с опускающимся столбом шихты через множество каналов сложной конфигурации в этом столбе, образуемых пустотами между отдельными кусками шихтовых материалов различной крупности.
Столб шихты имеет сложную структуру, в нем находятся зоны с разными агрегатными состояниями шихтовых материалов. Верхняя часть столба шихтовых материалов, занимающая максимальный объем, включает сыпучие материалы, находящиеся только в твердом состоянии. Газопроницаемость такого слоя оценивается с помощью уравнения Эгона (S.Ergun) [44], определяющего потери давления в слое сыпучих материалов в зависимости от характеристики газового потока.
Порозность - основная газодинамическая характеристика сыпучей многокомпонентной смеси. Порозность слоя (от англ. porosity) - это отношение объема пустот слоя кускового или зернистого материала к общему объему слоя. Данный термин широко используется в почвоведении.
Важность порозности при оценке газодинамики доменной плавки в полной мере иллюстрирует уравнение Эгона. где АР - потери давления в слое, Па; Н - высота слоя, м; є - порозность слоя, м /м ; G - поток газа, м /с; /? - плотность газа, кг/м ; і -вязкость газа, кг/м-с ф - коэффициент формы кусков, количественно характеризующий степень приближения формы кусков к форме сферы; d - эквивалентный диаметр кусков слоя, м; является в основном функцией поверхности кусков и в большей мере отражает влияние мелких фракций на газопроницаемость слоя, чем средний диаметр кусков. Из уравнения (2.21) видно, что наибольшее влияние на потери давления в слое, и соответственно на газодинамику ДП оказывает порозность слоя є - ее значение входит в знаменатель формулы Эгона в 3-й степени.
Для определения порозности двухкомпонентных сыпучих смесей в настоящее время широко используются кривые Фернеса (Furnas С.С.) (рисунок 2.19) [45]. Зная содержание (в %) крупной и мелкой фракции в смеси, а также отношение их размеров, по данным кривым определяют ее порозность.
Использование широко представленных в литературе кривых Фернеса для оценки порозности двухкомпонентных сыпучих систем не совсем корректно по следующим причинам.
Анализ его работы «Движение газа сквозь слои кусковых материалов» показал, что кривые на рисунке 2.19 это лишь частный случай, когда порозности компонентов смеси по отдельности равны 0,5 [46]. Эти кривые не применимы для смесей материалов, порозности компонентов которых отличны от 0,5 и друг от друга. На рисунках 2.20 и 2.21 показаны кривые, полученные Фернесом для смесей, порозности обоих компонентов которых равны 0,4 и 0,6 соответственно. На рисунке 2.22 показаны кривые порозностей двухкомпонентных смесей, порозности компонентов которых различны. В своих исследования Фернес использовал следующие материалы: руду с размером фракций от 8 мм до 120 мм, прокатную окалину с размером фракций от 6,3 мм до 8,5 мм, известняк с размером фракций от 4,3 мм до 6,3 мм, кокс с размером фракций от 4,3 мм до 6,3 мм и свинцовую дробь размерами 9,14 мм, 5,33 мм, 4,32 мм, 2,26 мм и 1,3 мм.
Вообще исследования порозности сыпучих смесей проводились многими авторами. В частности, Н. Стандиш (N. Standish) (Австралия) в своей работе «Принципы составления шихты и загрузки с использованием бесконусных загрузочных устройств» представил кривые изменения порозности двухкомпонентных идеальных смесей из сфер в зависимости от содержания крупной фракции (рисунок 2.23), а также экспериментальные диаграммы для определения порозностей двухкомпонентных смесей шихтовых материалов доменной плавки (рисунок 2.24) и трехкомпонентной смеси из сфер (рисунок 2.25) [47]. Аналогичные кривые были представлены В.П.Тарасовым [48] (рисунок 2.26).
Необходимо отметить, что данная формула справедлива только для двухкомпонентной смеси, т.к. коэффициент 1, учитывающий перколяцию (просачивание) мелких фракций в слой крупных (размещение мелких частиц в пустотах между крупными) отражает только перколяцию каждой фракции в крупную по отдельности, без учета расположения в этих же пустотах других мелких фракций. Более того, по результатам многочисленных исследований известно, что слои одного фракционного состава (или с одинаковыми соотношениями диаметров крупных и мелких фракций и их долей), но различных сыпучих материалов (кокса, агломерата, руды и т.д.) имеют разную порозность (по данным того же Ковшова, порозность слоя агломерата фракции 5-10 мм составляет 0,45, а слоя кокса той же фракции - 0,35). Следовательно, коэффициент 1 не совсем корректно применять во всех случаях, а необходимо определять его для каждого отдельного материала.
Исследования порозности сыпучих смесей шихтовых материалов доменной плавки проводились многими авторами [45]-[53]. Однако до настоящего момента не было предложено ни одного универсального способа адекватной оценки порозности сыпучих многокомпонентных смесей доменной плавки (только отдельные данные, характеризующие частные случаи).
1) Теория перколяции (теория образования смеси каких-либо элементов) указывает на нелинейный характер поведения многокомпонентных хаотических систем. Как правило, характеристики такого рода систем в зависимости от объемного соотношения элементов изменяются скачкообразно (например, эффект порога перколяции). Образование каких-либо равномерных смесей элементов невозможно и структура таких систем носит кластерный характер, обуславливающий нелинейный характер всех характеристик системы, в том числе порозности смесей.
2) Применение для описания сыпучих хаотических систем (в том числе и оценке порозности) аналитических зависимостей и формул является неадекватным и неприменимым для промышленных условий доменного производства.
3) Необходима разработка нового универсального метода оценки порозности двухкомпонентных сыпучих смесей, а также метода определения порозности многокомпонентных сыпучих смесей шихтовых материалов доменной плавки. 3 Исследование порозности сыпучих многокомпонентных смесей Целью данного раздела является разработка метода для оценки основной газодинамической характеристики сыпучей многокомпонентной смеси — порозности. Как уже упоминалось в главе 2, использование широко представленных в литературе кривых Фернеса для оценки порозности двухкомпонентных сыпучих систем не совсем корректно. Предлагается следующий универсальный способ оценки порозности двухкомпонентных сыпучих смесей.
