Содержание к диссертации
Введение
1 . Состояние вопроса и постановка задачи исследования 12
1.1. Нагрев неподвижного слоя кусковых материалов 12
1.2. Гидродинамика и теплообмен в подвижном плотном слое 13
1.3. Нагрев неподвижного слоя кусковых материалов потоками газов 20
1.4. Расчет полифракционного плотного слоя кусковых материалов 28
1.4.1. Расчет двухфракционного слоя 28
1.4.2. Расчет охлаждения слоя при наличии крупных кусков 33
1.5. Расчет температурных полей внутри кусков 3 7
1.6. Выводы по главе и постановка задачи исследования 43
2. Математическое моделирование тепловых и аэродинамических процессов в шахте печи с плотным неподвижным слоем 45
2.1. Математическая модель нагрева неограниченного цилиндра 46
2.2. Математическая модель прогрева шара 52
2.3. Математическая модель прогрева двухслойного бесконечного цилиндра с учетом фазовых переходов 60
2.4. Математическая модель прогрева обрези листового проката, спрессованного в форме параллелепипеда, с учетом фазовых переходов 64
2.5. Математическая модель аэродинамических процессов
в шахте с неподвижным плотным слоем 68
2.6. Выводы по главе 72
3. Экспериментальное исследование прогрева одиночных частиц с учетом фазовых переходов 73
3.1. Экспериментальное исследование температурного поля цилиндра при омывании газовым потоком с учетом фазовых переходов 73
3.2. Полученные результаты и их анализ 80
3.3. Прогрев диспергированных образцов и анализ данных 83
3.4. Выводы по главе 84
4. Исследование прогрева скрапа с учетом таяния льда 86
4.1. Прогрев кусков скрапа цилиндрической формы с учетом таяния льда (по опытам на стенде) 86
4.2. Прогрев пакетов, спрессованных из листовой обрези, с учетом таяния льда 88
4.3. Исследование прогрева тел, содержащих лед в устройствах подогрева скрапа (шахта печи Фукс) 91
4.4. Выводы по главе 106
5. Разработка опытно-промышленной установки для прогрева скрапа и удаления льда из слоя 108
5.1. Технология предварительного подогрева скрапа для конвертерного производства 108
5.2. Описание программы расчета одиночных тел в плотном неподвижном слое скрапа 111
5.3. Выводы по главе 113
Заключение 114
Литература
- Гидродинамика и теплообмен в подвижном плотном слое
- Математическая модель прогрева двухслойного бесконечного цилиндра с учетом фазовых переходов
- Прогрев диспергированных образцов и анализ данных
- Исследование прогрева тел, содержащих лед в устройствах подогрева скрапа (шахта печи Фукс)
Введение к работе
Развитие металлургии в целом и различных ее переделов, всегда сопряжено с совершенствованием существующих или внедрением новых технологических процессов.
Подавляющее большинство процессов, протекающих в печах, совершается при высоких температурах и связанно с большими затратами тепловой энергии. Все большее значение приобретают вопросы теплоэнергетики (использование вторичных энергоресурсов и др.) и охрана окружающей среды.
Большой вклад в разработку теоретических и практических вопросов металлургической теплотехники внесли ученые В.Е. Грум-Гржимайло, М.А. Глинков, Н.Н. Доброхотов, Г.П. Иванцов, Д.В. Будрин, Б.И. Китаев, Н.Ю.Тайц, И.Г. Казанцев, В.Н. Тимофеев, Н.В. Окорочков, Э.М. Гольдфарб, Ф.Р. Шкляр и др. [1-29]. В настоящее время начатое ими дело успешно развивается усилиями их учеников и последователей.
Прогресс в области металлургической теплотехники немыслим без соответствующего понимания основополагающих теплофизических процессов, таких как процессы теплового излучения, теплопроводности, конвекции и других. В связи с этим нельзя не отметить труды Ю.А. Сурикова, Л.Г. Поляка, А.С. Невского, А.В. Лыкова, М.А. Михеева, А.Д. Свенчанского и других. Трудно переоценить ту роль, которую сыграли работы М.Л. Кирпичева, А.А.
Гухмана, Л.С. Эйгенсона, Г.П. Иванцова в области применения теории подобия и исследованию тепловых устройств [30-46].
Тепломассообменные процессы, протекающие в рабочем пространстве печей, сложны и многообразны. Анализ их выполняется с использованием самого современного математического аппарата, позволяющего создавать и полезно использовать математические модели, которые в металлургической теплотехнике применяются с каждым годом все шире. В промышленных печах физический эксперимент часто или затруднен, или вообще невозможен, поэтому в этих условиях, математическое моделирование оказывается особенно эффективным.
Необходимость использования все увеличивающегося в каждой стране количества скрапа требует повышения его доли в металлической завалке современных конвертеров и двухванных печей. Из анализа теплового баланса конвертера следует, что одним из методов повышения доли скрапа является обеспечение его предварительного подогрева. Предварительный подогрев скрапа целесообразно применять и в электрических плавильных печах, что позволяет экономить дорогую электрическую энергию. В предельном случае целесообразно использовать расплавленный скрап.
Предварительный подогрев скрапа для использования его в кислородных конвертерах может осуществляться как непосредственно в конвертере, так и в специальных загрузочных емкостях. Подогрев лома в конвертерах осуществляется с использованием газокислородных горелок, в которых чаще всего сжигается природный газ в атмосфере кислорода.
Учитывая высокую производительность конвертеров, подогрев скрапа должен осуществляться быстро, во избежание снижения общей производительности конвертера и цеха.
Предварительный подогрев скрапа дает существенное увеличение количества скрапа в завалку. Обычно подогрев скрапа в конвертере производится до температуры, не превышающей 700-800С, так как при более высоких температурах развиваются процессы окисления железа. Подогрев скрапа осуществляется обычно в течение 15-20 минут.
Расчет тепловых процессов в слоевых печах и установках осуществляется на основе закономерностей теплообмена, которые позволяют определить температурные поля по высоте слоя и их изменения во времени. Знания температурных полей обеспечивают возможность использования законов химической кинетики и термодинамики. Это, в свою очередь, позволяет воссоздать общую картину протекания тепловых и технологических процессов в агрегате и далее определить высотные размеры слоя или профиль печи в зависимости от свойств металлургического сырья и материалов, подвергающихся тепловой обработке, и режима работы печи по расходу дутья, его составу, температуре и другим показателям.
На ОАО «Северсталь» имели место взрывы конвертеров после заливки скрапа жидким чугуном в зимний период. Предполагается, что со скрапом в конвертер попадает лед в трубах и пачках прессованных отходов. Поэтому возникла необходимость более точного расчета времени прогрева скрапа перед подачей его в конвертер и заливкой жидким чугуном.
В связи с этим ставится задача разработать методику расчета нагрева скрапа, содержащего лед, и разработать мероприятия, обеспечивающие безопасную работу технических устройств с подогревом скрапа.
Гидродинамика и теплообмен в подвижном плотном слое
В черной металлургии широко применяются шахтные слоевые печи, в которых все гидродинамические и теплообменные процессы протекают в так называемом плотном слое.
В шахтных печах обрабатываемые кусковые материалы засыпаются сверху и постепенно продвигаются вниз. Кусковой характер шихты определяет особенности гидродинамических и теплообменных процессов в слое. Между кусками остаются пустоты, по которым проходят газы, обеспечивающие протекание необходимых тепловых и технологических процессов. Поэтому газопроницаемость шихты является очень важной характеристикой слоя кусковых материалов.
Газопроницаемость слоя шихтовых материалов изучалась многими исследователями, причем чаще всего газопроницаемость характеризовалась косвенным показателем, а именно, потерей давления газов при прохождении через слой, иначе говоря, сопротивлением слоя материалов, Первоначально исследования велись на телах правильной формы, таких как шары, зерна и т.п. Полученные при этом данные позволяли ориентироваться в процессе проникновения газов через слой таких же тел, но не давали возможности получить точную количественную картину газопроницаемости реальной шихты, которая состоит из кусков самой разнообразной и, что очень важно, практически неопределенной формы и размеров. Трудности исследования усугубляются еще и тем, что в плотном слое возможны как ламинарное, так и турбулентное течения, которые, как известно, подчиняются совершенно разным законам движения. Все эти трудности оставляли ученым лишь один путь проникновения в загадки плотного слоя исследование газопроницаемости реальной шихты, к которой в условиях черной металлургии относятся железная руда, агломерат, кокс. Конечно, результаты таких исследований не могут претендовать на универсальность, но зато дают вполне реальную картину для тех условий, для которых они получены. А это уже немало, учитывая важность для отрасли качественной работы доменных и других шахтных печей.
Большой практический интерес представляет определение гидравлического сопротивления слоя [57, 58]. Хаотическое распределение кусков, неопределенность сечений для прохода газов - все это делает возможным, по существу, лишь эмпирический путь исследования этих процессов. В результате неопределенности формы и размеров пор между кусками расчет отдельных элементов местных сопротивлений выполнить невозможно, поэтому они учитываются общим коэффициентом Ксл, входящим в нижеприведенную формулу для определения потерь напора в слое, Па, [34]: где Ксл = 4 (Н/ 1эКВ); wo6 - скорость, отнесенная к общему сечению шахты, м/с; f -порозность слоя; рг - плотность газов кг/м ; Н - высота слоя, м; d3KEp эквивалентный диаметр, м; d3KB= (0,45- 0,47)d; d - средний диаметр кусков слоя, м; % - коэффициент сопротивления, зависящий от критерия Re и определяемый при турбулентном режиме при 250 Re 5000 по формуле ,= 1,56/Re0 15.
Турбулентный режим в слое наступает при низких значениях критерия Re. Это объясняется турбулизацией потока при внезапных расширениях и сужениях, резких поворотах при прохождении газа через слой кусковых материалов.
Очень характерные данные были получены М.А. Шаповаловым для криворожских руд различных фракций, что позволило ему установить следующую зависимость для определения потери давления в слое [34]:
Математическая модель прогрева двухслойного бесконечного цилиндра с учетом фазовых переходов
Расчет тепловых процессов в слоевых печах и установках осуществляется на основе учета закономерностей теплообмена, которые позволяют определить температурное поле по высоте слоя и их изменение во времени. Главные трудности заключаются в определении эквивалентного диаметра частиц слоя, по которым следует рассчитывать теплообмен. Методика расчета нагрева неподвижного слоя кусковых материалов потоком газа предполагает, в дополнение к изложенному выше, наличие в слое единичного крупного куска, размер которого превышает в 4-5 раз средний размер крупной фракции. При этом время нагрева всего слоя в значительной мере будет определяться также и временем нагрева крупного куска. Для уточнения влияния на эквивалентный диаметр частицы слоя кусков, содержащих влагу в твердом состоянии, разработана экспериментальная установка, позволяющая определить температурные поля при прогреве одиночного цилиндра, заполненного влагой в твердом состоянии. Характер поперечного омывания одиночных труб зависит от числа Рейнольдса, при малых числах Red 5 наблюдается безотрывное омывание поверхности труб потоком жидкости [61]. При больших значениях Рейнольдса плавно омывается лишь фронтовая половина. В кормовой части трубы вследствие отрыва пограничного слоя жидкости от поверхности возникает сложное вихревое течение. Когда движение пограничного слоя становится турбулентным, область вихревого течения уменьшается, а безотрывного - увеличивается. Переход ламинарного режима движения жидкости в турбулентный в пограничном слое наступает при Re lO [61].
Цель работы: Исследование распределения температур по сечению цилиндра, заполненного влагой в твердом состоянии, с учетом фазовых переходов воды.
Схема установки приведена на рис. 3.1. Опытная установка представляет собой аэродинамическую трубу 1, на входе которой установлено сопло 2. Сечение трубы квадратное, размером 120x120 мм. Воздух через аэродинамическую трубу продувается с помощью вентилятора 3, приводимого во вращение электродвигателем 4. Регулирование расхода воздуха через трубу производится с помощью заслонки 5. По оси аэродинамической трубы на некотором расстоянии от входа установлена рабочая трубка 6, Рабочая трубка имеет диаметр сечения 18,1/15,2 мм. Длина рабочей трубки 120 мм. На внешней и внутренней поверхностях трубки установлены термопары 7 для измерения температуры трубки. Холодный спай термопар находится в потоке воздуха. Таким образом, каждая термопара служит для измерения температурного напора между стенкой трубы и набегающим потоком и для измерения температуры стенки трубы.
Всего на поверхности рабочей трубки в среднем сечении уложены 9 термопар по образующим цилиндра: р=0; 2230 ; 45; 6730 ; 90; 11230 ; 135; 15730 ; 180 (q - угол отсчитывается от лобовой образующей трубки).
По сечению трубки во льду уложены три термопары: в центре, на поверхности и в середине. Термопары выведены на переключатель 8. С переключателя термо-э.д.с. подается на потенциометр 17.
Электрическая мощность, потребляемая нихромовой проволокой нагревателя воздуха, регулируется с помощью трансформатора 18 типа РНО - 250 - 2. Для измерения мощности служит амперметр 9 и вольтметр 10.
Измерение скорости воздуха производится в свободном сечении канала [86]. Для измерения wK используется трубка Пито 11, измерение wK производится при больших расходах воздуха и обусловлено пределом показаний дифманометра. Зная wK и размеры сечения канала и рабочей трубки, можно рассчитать у/уж.
Трубка Пито представляет собой металлический капилляр с aydi = 1 / 0,8 мм, отверстие капилляра направлено навстречу потоку воздуха, т.е. в капилляр подается полное давление потока Рп. Статическое давление Рет отбирается с помощью капилляра 15, установленного в стенке канала перпендикулярно направлению потока воздуха. Давление Рп и Рст через трехходовой кран 14 передается мембранному электрическому дифманометру. В дифманометре 15 деформация мембраны, соответствующая динамическому напору АР= Рп - Рст, преобразуется в электрический сигнал, который после усиления подается в цифровой вольтметр 16. Температура воздуха Тж измеряется с помощью ртутного термометра, установленного в лабораторной установке. Нагрев воздуха осуществляется в электрокалорифере 19.
В опыте исследуется температурное поле образца в зависимости от условий обтекания газовым потоком во времени.
Таким образом, разработана экспериментальная установка, позволяющая моделировать поля температур в телах цилиндрической формы с учетом фазовых переходов. Проведение опытов. Установить с помощью РНО - 250 - 2 мощность 250-350 Вт, включить вентилятор, с помощью поворотной заслонки установить скорость воздуха (wyCK=25-30 м/с), что соответствует турбулентному режиму. Путем повторных измерений температур в газовом потоке в течение некоторого времени убедиться в том, что стационарный тепловой режим наступил.
Установить измерительную трубку в измерительный участок и записать время начала отсчета, затем записывать температуры газового потока и по сечению трубки до момента исчезновения льда.
Прогрев диспергированных образцов и анализ данных
Расчет времени прогрева пакета, спрессованного из листовой обрези, проводился по методике, предложенной в разделе 2.3. Для расчета по методике необходимо было получить теплофизические характеристики пакета, коэффициент теплопроводности, теплоемкость, плотность. Обработка экспериментальных данных, полученных в разделе 3, по математической модели (раздел 2.3) позволила получить значения коэффициентов для математической модели в виде коэффициента эффективной теплопроводности, эффективной теплоемкости и плотности пакета. Пакет изготавливался в виде цилиндра, спрессованного из параллельных бесконечных пластин, замороженных во льду. Таким образом, тепловой поток направлен к оси цилиндра как перпендикулярно, так и параллельно пластинам из стали марки 08КП. Поэтому расчет эффективной теплопроводности осуществлялся как среднее арифметическое между минимальной эффективной теплопроводностью и максимальной эффективной теплопроводностью. Теплоемкость и плотность определялись по формулам с учетом аддитивности и экспериментальным замерам (размеры, масса).
В результате получены значения Хдфф = 32,7 Вт/м-К; См = 1228 Дж/кг-К; р - 2399 кг/м2. Диаметр цилиндра d = 18,1 мм. Для образца за фронтом плавления льда Хэфф = 7,2 Вт/м-К; См = 786 Дж/кг-К; р = 928 кг/м2.
На рис. 4.2 представлены расчетные и экспериментальные данные по прогреву образца, выполненного в виде цилиндра из параллельных пластин и льда.
Максимальная относительная ошибка отклонения расчетного времени от экспериментального замеренного времени существования льда в образце составляет приблизительно 56 %.
Анализ экспериментальных данных показывает, что поверхность льда постоянно покрыта слоем воды и вода с поверхности удаляется не мгновенно, как принято в математической модели. Время таяния льда в опытном образце значительно меньше расчетного. Сравнение расчетных и А . ,,.,,„ щ. А ;; iS 4 А А —4 т,с 400 300 200 100 2000 4000 6000 8000 Re Рис. 4.2. Расчет прогрева образца цилиндрической формы, выполненного из параллельных пластин и льда: 1 - при температуре потока =100 С; 2 - при температуре потока t = 200 С; 3 - при температуре потока 1Ж = 400 С; А. - расчетные точки; - опытные точки. экспериментальных данных показывает, что для соответствия математической модели и реального процесса прогрева образца необходимо ввести слагаемое, учитывающее увеличение доли теплоты, подводимой к фронту плавления льда. Подобранный коэффициент адекватности модели и образца можно представить в виде множителя к потоку теплоты, передаваемой к фронту таяния льда за счет фильтрации. Этот множитель тп с ДГ имеет вид Rb-100. Где Rb = - критерий Ребиндера, m - масса Am- L образца, с - теплоемкость образца, AT - перепад температур, на который нагревается образец до температуры плавления, Дт — масса льда, L — теплота плавления льда.
Введение коэффициента адекватности позволяет рассчитывать время прогрева образца до полного расплавления льда по математической модели (раздел 2.3) с точностью ± 8%.
Таким образом, решение системы дифференциальных уравнений методом конечных разностей (неявная схема) (раздел 2.3) дает удовлетворительное совпадение расчетных и экспериментальных данных по времени таяния льда. Это позволяет использовать эту методику при расчете прогрева таяния льда, содержащегося в пакетах, спрессованных из обрези листового металла, в технических устройствах с предварительным подогревом скрапа в металлургических процессах.
Исследование прогрева тел, содержащих лед в устройствах подогрева скрапа (шахта печи Фукс)
Энергетические балансы обычных электродуговых печей показывают, что примерно 20 % введенной энергии содержатся в потоке отходящих газов.
Фирма «ФУКС Системтехник» разработала способ почти полной повторной утилизации тепла с помощью шахтной печи с удерживающими пальцами. Шахта жестко соединена со сводом. Шахта и свод печи совместно открываются для завалки первой круглой корзины. Последующие корзины имеют многогранную геометрию, сходную с геометрией шахты, и завалка и подогрев производился через шахту. Размеры шахты печи (рис. 4,3): высота 7000 мм; ширина - 2500 мм; длина 6340 мм; объем загрузочной корзины 90 м3.
Шахта оборудована водоохлаждаемыми пальцами для приема лома с целью его дальнейшего подогрева. Система состоит из ряда 15 пальцев, установленных в нижней части шахты. Пальцы снабжены демпфирующими элементами, чтобы амортизировать толчки при завалке лома на закрытые пальцы. Все удерживающие пальцы раскрываются и закрываются через систему рычагов и совместный вал с помощью двух гидравлических цилиндров.
Весь скрап, 137Т, загружается с помощью двух корзин. Тяжелые куски скрапа желательно грузить в середину корзины, легкий скрап сверху. Для нормальной работы шахтной печи куски лома не должны превышать длину в 1,5 м и вес в 400 кг. Эффективность подогрева скрапа ограничена переходом тепла от отходящих газов к скрапу. Очевидно, что крупногабаритные куски скрапа медленнее нагреваются, легкий скрап в отличие от этого очень быстро. Легкий скрап даже при коротком времени подогрева в шахте может расплавиться и спекаться к пальцам. Хорошие результаты работы шахтных печей достигались смесью разных видов скрапа плотностью от 0,7 до 1,3 т/м3.
Время между подогревом и загрузкой первой подогретой корзины посредством размыкания удерживающих пальцев составляет приблизительно 18 минут (из них 11 минут составляют работу под напряжением).
Вышеприведенные данные по времени и расходу зависят, конечно, от качества лома. Если качество первого слоя лома на удерживающих пальцах получается слишком легким, а время подогрева первой корзины вследствие непредусмотренных помех или простоев превышает 30 минут, то возникает опасность, что удерживающие пальцы спекутся с частично расплавленным ломом. В этом случае шахта переводится в позицию для ремонтных работ, и удерживающие пальцы снизу обрызгиваются водой, чтобы охладить расплавленную фазу. Лом на удерживающих пальцах подогревается приблизительно до температуры 700-800С. Воздух для сжигания СО вдувается в поток отходящих газов.
Температура отходящих газов 1200С при расплавлении, 1600С при рафинировании при входе в шахту. Суммарное количество отходящих газов, проходящих через шахту печи, составляет 72629 Нм3/час. Согласно технологической инструкции ТИ/105-КП-16-99 в шахту подаются: - пакеты размером не более 600x600x800 мм; - кусок размером 600x350x250 мм; - отходы листопрокатных цехов длиной не более 1,5 м; - масса куска не должна превышать 0,4 т. Смесь копрового лома - 45-50 т, лом ПХЛ (не более 10 т), т.е. мелочи более 30%.
Анализ процесса прогрева кусков скрапа следует начинать с анализа нагрева неподвижного слоя скрапа потоком газа, для случая, когда начальная температура во всех точках слоя одинакова, а температура газа на входе в слой постоянна во времени.
