30.4 Расчет oсhobhыx размеров шахтной печи и определение параметров воздуходувной машины

Расчет ведем по способу, разработанному профессором Д.А. Диомидовским.

Расчет оптимального количества дутья. Для определения этого параметра воспользуемся выражением:

К_о=(0,6–0,9)•К м³/(м² мин),

где (0,6–0,9) – коэффициент, зависящий от классификации шихты по крупности при загрузке печи, меньшее значение коэффициента берут в случае значительной классификации, принимаем для расчета 0,6;

К – предельное количество дутья, при котором нарушается стабильное состояние столба шихты.

Для случая, когда поперечное сечение печи по высоте меняется незначительно и общая высота столба шихты в печи не превышает 4–5 м, К находят по формуле

К = ,

где ω₁, ω₂, ω₃ – свободные площади проходов в слоях шихты между кусками (доли единицы); для кокса, окатышей, круглых брикетов это 0,215, для агломерата, оборотных шлаков, известняка, кварцита, сульфидных руд 0,15;

а – безразмерный коэффициент, учитывающий неточности при определении ω, а также трение кусков (а=0,6–0,65, для расчета принимаем 0,6);

φ – количество отходящих газов, образующихся на единицу дутья (в нашем случае это 74,57/65,4=1,14 м³/м³);

h₁, h₂ – доля высоты слоя каждого из шихтовых материалов колоши в единице объема шихты, в нашем случае агломерата и кокса.

Расчет производим на 100 т агломерата. Насыпную массу агломерата принимаем 1,1 т/м³. Объем агломерата 100/1,1=90,91 м³. Насыпная масса кокса 0,45 т/м³. Объем кокса 11,5/0,45=25,56 м³. Суммарный объем шихты 90,91+25,56=116,47 м³. Доля высоты кокса в единице объема шихты h₁=25,56/116,47=0,22, агломерата h₂=90,91/116,47=0,78);

₁, ₂ – кажущаяся плотность шихтовых материалов (для кокса ₁=970 кг/м³; для агломерата ₂=1400 кг/м³);

₀^г – приведенная плотность газов в печи (102,34/74,57=1,38 кг/м³);

t_cp^г – средняя температура газов в печи (принимаем, что температура фокуса печи 1300⁰С и температура отходящих газов 250 °С, тогда t_cp^г=(1300+250)/2=775 ⁰С);

l₁, l₂ – средний размер кусков шихтовых материалов, м.

Средний размер кусков агломерата и кокса рассчитывают на основании данных ситовых анализов этих материалов, %:

	+100 мм	-100 мм+50 мм	-50мм+20 мм	-20 мм+5 мм	-5 мм
Агломерат Кокс	- 10	13 40	67 40	16 10	4 -

Средний размер кусков агломерата. Для определения средней размера кусков агломерата рассматриваем отдельно крупную и мелкую части его. В крупной части агломерата средний размер кусков составляет l_кр=(100+50)/2=75 мм, их доля по массе 13/(13+67)•100=16,3%; l_мелк=(50+20)/2=35 их доля по массе 67/(13+67)•100=83,7%.

Для смесей, в которых l_мелк>0,415•l_кр, при объемном содержании мелких кусков 10-90%: l`_ср=0,9•[b•l_мелк+(1–b)•l_кр]=0,9•[0,837•35+0,163•75]=37,4 мм,

где l_кр и l_мелк – размер крупных и размер мелких кусков соответственно;

b – объемное содержание мелких кусков в смеси, доли единицы.

В мелкой части агломерата средний размер кусков составляет l_кp=(20+5)/2=12,5 мм,. их доля по массе 16/(16+4)•100=80%; l_мелк=(5+0)/2=2,5 мм, их доля по массе, 4/(16+4)•100=20%.

Для смесей, в которых l_мелк≤0,415•l_кр, при объемном содержании мелких кусков 20-30%

l″_сp=0,3•l_кр+0,7•l_мелк=0,3•12,5+0,7•2,5=5,5 мм.

Весь агломерат состоит на 80% из кусков 37,4 мм и на 20% из кусков 5,5 мм:

l_сp=0,3•l_кр+0,7•l_мелк=0,3•37,4+0,7•5,5=15,1 мм=0,015 м; l₂=0,015 м.

Средний размер кусков кокса. По аналогии с предыдущим расчетом: в крупной части кокса средний размер кусков составляет

1_кр=100 мм, их доля по массе 10/(10+40)•100=20%; l_мелк=(100+50)/2=75 мм, их доля по массе 40/(10+40)•100=80%.

l′_ср=0,9•(0,80•75+0,20•100)=72 мм.

Мелкая часть кокса. Средний размер кусков 1_кр=(20+50)/2=35 мм, их доля по массе 80%; 1_мелк=(5+20)/2=12,5 мм, их доля по массе 20%..

l″_сp=0,3•l_кр+0,7•l_мелк=0,3•35+0,7•12,5=19,2 мм.

Весь кокс состоит на 50% из кусков 72 мм и на 50% из кусков 19,2 мм. Для смесей, в которых l_мелк0,415•l_кр, при объемном содержании мелких кусков 30—50%

l_ср=0,1•l_кр+0,9•l_мел=0,1•72,0+0,9•19,2=24,54 мм=0,025 м*.

l₁=0,025 м.

* Для смесей, в которых l_мелк  0,415•l_кр, при объемном содержании мелких кусков 10—20% l_ср=0,5•l_kp+0,5•l_мелк; 50—70% l_ср=0,05•l_кр+0,95•l_мелк.

Теперь определяем К:

К₁=

=

=51,2 м³/(м² мин).

К_о=0,6•51,2=30,7 м³/(м² мин.).

Расчет удельной производительности печи. В расчете исходят из предположения, что производительность печи находится в прямой зависимости от интенсивности горения топлива. Удельная производительность шахтной печи, т/(м² сут):

,

где τ – количество часов работы печи в сутки (принимаем 22);

m – удельный расход топлива, % (в нашем расчете 11,5);

n – удельный расход воздуха на единицу топлива, м³/кг, тогда 65,4/11,5=5,69.

Подставляя значения, определяем а:

а=6•30,7•22/(11,5•5,69)=61,9 т/(м² сут).

Определение основных размеров печи. Количество дней работы печи в году 330.

Площадь поперечного сечения шахтной печи на уровне фурм, необходимая для проплава 697 т/сут агломерата: F=А/а=697/61,9=11,26 м². Принимаем ширину шахтной печи на уровне фурм В=1,45 м. Длина печи равна 11,26/1,45=7,8 м. Стандартная ширина кессонов 800 мм и зазор между ними 10 мм. При установке 11 кессонов l=10•0,8+9•0,1=8,09 м. Уточненная площадь сечения печи на уровне фурм равна 8,09•1,45=11,73 м, а проплав 6,97/11,73=59,4 т/(м² сут).

Рабочая высота печи Н_р=a•V•τ₁/τ,

где V - удельный объем шихты в печи (подсчитан ранее) равен (90,91+25,6)/(100+11,5)=1,04 м³/т;

τ₁ – минимальное время пребывания шихты в печи, необходимое для завершения физико-химических процессов; принимаем τ₁ = 1,5 ч, учитывая самоплавкость агломерата;

τ – время работы печи в сутки, ч, τ = 22 ч.

Тогда

Н_р=59,4•1,04•1,5/22=4,3 м.

Общая высота печи от лещади до уровня колошника

Н=(1,2-1,4)•Н_р+1=1,3•4,3+1=6,6 м.

Расчет количества тепла, которое может быть передано газами шихте. Расчет теплообмена производим по формуле Б.И. Китаева:

Q=a_v•(t_г–t_ш)•V_ш•τ_ш.

Здесь a_v – коэффициент суммарной теплопередачи, ккал/(м³- ч-⁰С), определяемый по формуле

a_v=160 ,

где ω₀ – условная скорость газов в свободном сечении шахты печи [при τ_ш (время переработки 100 кг агломерата, шихты), равном 22•100/(697•100)=0,0032 ч или 11,5 с и V_c (количество газов, образующееся в 1 с), равном =74,57/11,5=6,48 м³, ω₀=6,49/11,73=0,55 м/с];

Т – средняя температура газов, ⁰К (Т=775+273=1048 ⁰К);

d – средний диаметр кусков шихты, равный (75•0,13+35•0,67+12,5•0,16+2,5 •0,04)•0,78+(100•0,10+75•0,40+35•0,40+12,5•0,10)•0,22=39,7 мм 0,040 м;

М – коэффициент, зависящий от содержания мелочи в шихте; при отсутствии мелочи М=1; при содержании 20% мелочи М=0,5;

a_v=160•0,55^0,9•1048^0,3 •0,5/0,40^0,75=4207 ккал/(м³ ч ⁰С);

t_г–t_ш – разность температур газов и поверхности шихты в шахтных печах; обычно t_г–t_ш=50-100⁰С, для расчета принимаем 75⁰С;

V_ш – объем шихты в печи, участвующий в теплообмене (V_ш=F•H_P=11,73•4,3=50,4), м³;

τ – время теплообмена между газами и шихтой или время пребывания газов в слое шихты, ч

[τ=H_р/(ω_t`•3600)=4,3/(12,8•3600)=9,33•10^-5 ,

где ω'_t – действительная скорость газов в печи, заполненной шихтой:

м/c].

Средневзвешенное значение коэффициента ω=0,15•0,78+0,215•0,22=0,165.

Таким образом, количество передаваемого тепла

Q = 4207•75•50,4•9,33•10^-5 = 1484 ккал.

Далее (после составления теплового баланса), эта цифра будет использована для проверки расчета.

Определение требуемой производительности воздуходувной машины и давления дутья. Расход воздуха для плавки 1 т агломерата составляет 654 м³, а на 697 т агломерата, проплавляемых в сутки, потребуется 697•654 = 455838 м³.

Производительность воздуходувной машины с учетом коэффициента потерь воздуха в сети и необходимого резерва принимаем (К = 1,15) при 22 ч работы печи в сутки составит

V_возд=1,15•455838/(22•60)=397 м³/мин.

Давление дутья на воздуходувке. Сопротивление шихты в шахтной печи определяем по формуле

.

Здесь коэффициент К=/V²,

где V – объем пустот в шихте, равный (_куc–_ших)/_кус. В свою очередь здесь:

_кус=1,4•0,78+0,97•22=1,3 т/м³,

где 1,4 и 0,97 – кажущиеся плотности агломерата и кокса;

0,78 и 0,22 – доли объема агломерата и кокса в единице объема шихты;

_ших=(100+11,5)/116,47=0,96 т/м³ (здесь 116,47 – суммарный объем шихты).

Таким образом, V=(1,3–0,96)/1,3=0,26 м³/м³.

Коэффициент  определяется в зависимости от значения критерия Рейнольдса по таблице 65.

ТАБЛИЦА 65 Значения коэффициента  для различных шихтовых материалов

Шихтовые материалы	Значения  в зависимости от критерия Re
	1000	2000	3000	4000	5000	 6000
Кокс Руда Агломерат	14,0 20,0 24,2	12,0 16,5 20,5	11,0 14,0 18,5	10,3 12,3 16,6	9,8 11,3 15,5	9,5 10,5 15,0

Значение же критерия Rе определяем по формуле

Re= .

1000

2 3 4 5 7 10 2 3 4 5 7 10² 2 3 4 5 7 10³ 2 3 4 5

Число Рейнольдса Re =

Рис. 7. График для определения коэффициента сопротивления слоя кусковых материалов:

1 – антрацит, 10 мм; 2 – сланец, 9,5 мм; 3– уголь, 15 мм; 4 – агломерат; 5 – кокс; 6 – дробь

Ниже приведены значения коэффициента внутреннего трения η для газов печей цветной металлургии при различной средней температуре:

tср, 0С	200	300	400	500	600	700	800	900	1000	1100	1200
ηt•10-5, кг/м c	2,7	3,0	3,5	3,7	4,0	4,5	4,7	5,0	5,4	5,7	6,0

При средней температуре газов 750 °С η=4,6 10^-5 кг/(м-с), в нашем случае

Re= =2520.

По таблице 65 при Re=2520 значение α для агломерата составляет около 19,5; для кокса около 11,5.

Среднезвешенное значение α=19,5•0,78+11,5•0,22=17,7 Тогда К=17,7/0,26²=260.

По графику (рис. 7) К=60; среднее значение К=(260+60)/2=160. В итоге находим

h_сопр= мм вод. ст.

С учетом потерь давления на фурмах и в сети давление дутья на воздуходувке будет составлять Р=1,3 h_сопр=1,3•1355 1762 мм вод. ст. По данным практики, давление воздуха составляет 1400–2400 мм вод. ст.

Число и размеры фурм. По данным практики, общая площадь сечения фурм составляет 5–6% от площади сечения шахтной печи в области фурм, для расчета принимаем 5,3%. Суммарная площадь сечения фурм ∑S_ф=11,73•0,053=0,622 м². Принимаем диаметр фурмы d=100 мм, или 0,01 м. Площадь сечения одной фурмы

S_ф= м².

Тогда общее число фурм n равно 0,622/7,85•10^-5=79,2; принимаем 80 шт. Число фурм на одном боковом кессоне равно 80/2/10=4 шт. Принимаем двухрядное расположение фурм с расстоянием между рядами 200 мм.