Расчет показателей, характеризующих газодинамические процессы в доменной печи. Методические указания к курсовой работе по дисциплине «Теория и техноло

В результате взаимодействия указанных сил опускание или сход шихты происходит только тогда, когда сила тяжести столба шихты превышает сумму всех трех перечисленных выше сил. Разность между силой тяжести столба шихты Р и суммой указанных трех сил получила название «активный вес шихты»:

где Pа - активный вес шихты; F1 - сила трения шихтовых материалов о стенки печи; F2 — подъемная сила газового потока; F3 — подъемная сила жидких продуктов плавки (Архимедова сила).

Сила тяжести столба шихты в доменной печи (Р) ориентировочно может быть вычислена как произведение интегральной насыпной плотности шихтовых материалов (рм) по всей высоте печи — от уровня засыпи до верхней границы коксового тотермана на объем столба шихтовых материалов (Vм ) в

указанных пределах:

Для высоких и узких сосудов, к которым условно можно отнести доменную печь, сила внешнего трения (Fc) определяется величиной бокового давления (Qб) и коэффициентом трения сыпучего материала о стенки (ƒ1):

В свою очередь, сила трения материалов о стенки оказывает решающее влияние на величину и распределение бокового давления шихты на стенки печи. Распределение бокового давления шихты по высоте доменной печи № 1

ОАО «НТМК» при выплавке ванадиевого чугуна, по экспериментальным данным Б.А. Марсу-верского, Н.Н. Бабарыкина и B.C. Новикова, приведено на рис. 5.

В условиях работающей печи подъемная сила газового потока равна произведению потери давления газа от фурм до колошника на эквивалентную площадь поперечного сечения печи:

11

где Sэ — частное от деления объема доменной печи на ее высоту в пределах от уровня воздушных фурм до уровня засыпи шихты; РД— давление дутья; РК— давление колошникового газа.

Рис. 5. Характер изменения бокового давления шихты на стенки печи по ее высоте при различных условиях плавки

При относительном постоянстве сил F1 и F3 (за исключением F1, при наличии в печи настылей и F3 в случае работы печи с плавающим тотерманом)

активный вес шихты зависит исключительно от подъемной силы газового потока. При постоянных параметрах дутья и вдуваемого топлива подъемная сила газового потока определяется интегральной порозностъю или газопроницаемостью столба шихтовых материалов в печи, т.е. она зависит от

12

двух комплексных факторов — распределения шихтовых материалов по радиусу и окружности печи и качества шихтовых материалов, то есть от их исходного гранулометрического состава, холодной и горячей прочности.

Последние характеристики шихтовых материалов и кокса влияют на изменения гранулометрического состава и средней крупности кусков материалов при их движении в печи от колошника до зоны плавления и горна.

Таким образом, перепад давлений (РД — Рк), определяющий подъемную силу газового потока, при постоянстве параметров газового потока в печи зависит от распределения шихтовых материалов по сечению печи и их гранулометрического состава, изменяющихся по высоте печи.

При интенсивной работе доменной печи этот перепад поддерживают на максимальном уровне при максимально возможном давлении газа на колошнике, не допуская при этом канальных продувов газа и «кипения» шихты на колошнике.

По причинам организационного или технического характера иногда возникает необходимость временно уменьшить интенсивность работы печи без ее остановки. В таких случаях интенсивность хода печи уменьшают, снижая давление газа на колошнике и расход дутья. Такая работа доменной печи характеризуется как работа печи в «полхода» (или «тихий ход»).

1.2. Движение жидких продуктов плавки в печи

Образование жидких продуктов плавки — чугуна и шлака – происходит в зоне когезии, из которой шлак и чугун под действием силы тяжести стекают в горн по извилистым каналам в коксовой насадке. При этом чугун, обладающий большей плотностью (7,8 т/м3) по сравнению со шлаком (2,6 т/м3) и меньшей вязкостью, стекает быстрее шлака. Первичный железистый шлак, стекая по каналам между кусками кокса, при контакте с ними реагирует с углеродом кокса. На пути от зоны когезии до металлоприемника происходит окончатель-

ное восстановление железа из оксидов шлака.

13

Скорость стекания жидких продуктов плавки в металлоприемник определяется порозностью коксового тотермана и вязкостью шлака. В

металлоприемнике движение продуктов плавки происходит только во время их выпуска из летки и траектории движения потоков чугуна и шлака при этом зависят от степени погружения коксового тотермана в жидкие продукты плавки. По Джозефу Поверомо, траектории движения потоков жидких продуктов плавки при «плавающем» тотермане и «сидящем на лещади» тотермане приведены на рис. 6.

Рис. 6. Траектория движения продуктов плавки в металлоприемнике во время выпуска при «сидящем на лещади» коксовом тотермане (а) и при «плавающем» тотермане (б)

Режим выпусков продуктов плавки, их свойства и проницаемость коксового тотермана оказывают большое влияние на характер выпусков.

Основными факторами, которые определяют дренаж шлака через коксовый тотерман во время выпуска, являются: крупность кусков кокса (Dк) и

порозность слоя кокса (εк) в тотермане; высота слоя шлака (Нш), оставшегося в горне после предыдущего выпуска; вязкость (hш) и плотность шлака (ρш);

скорость движения потока шлака (Кш) во время выпуска; диаметр горна (Dr).

Согласно результатам японских исследователей Т. Фукутаке и К. Окабе,

количественный критерий легкости выхода шлака из печи во время выпуска продуктов плавки может быть выражен как произведение

14

Из выражения (5) следует, что легкому выходу шлака из печи во время выпуска способствуют: максимальная порозность слоя и крупность кусков кокса в коксовом тотермане, максимальная высота слоя и плотность шлака, минимальная вязкость шлака, а также минимальная скорость движения потока шлака во время выпуска. С увеличением диаметра горна выход шлака из печи затрудняется.

1.3. Газопроницаемость столба шихты

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 в доменной печи имеет довольно сложную структуру (см. рис. 2), в нем находятся зоны с разным агрегатным состоянием шихтовых материалов.

Газопроницаемость слоя в этих зонах определяется различными факторами. Верхняя часть столба шихтовых материалов, занимающая максимальный объем, включает сыпучие материалы, находящиеся только в твердом состоянии. Газопроницаемость слоя таких материалов обычно оценивают с помощью известного уравнения С. Эгана, определяющего потери давления в слое сыпучих материалов в зависимости от характеристики газового потока. Для турбулентного режима движения газов, характерного для доменной печи, уравнение Эгана имеет вид

где АР — потери давления в слое, Па; Н - высота слоя, м; е - порозность слоя, м3/м3; G - поток газа, м3/с; pg - плотность газа, кг/м3; D3 - эквивалентный диаметр кусков слоя, м; Ф — коэффициент формы кусков, количественно характеризующий степень приближения формы кусков к форме сферы.

15

Эквивалентный диаметр кусков является в основном функцией удельной поверхности кусков и в большей мере отражает влияние мелких фракций на газопроницаемость слоя, чем средний диаметр кусков. Эквивалентный диаметр кусков рассчитывается по формуле

Преобразовав уравнение (6), можно получить фактор, или коэффициент газопроницаемости (А), слоя сыпучих материалов в следующем виде:

Отношение (1 - Ɛ)/( Ɛ3) оказывает самое большое влияние на потери давления в слое и на фактор газопроницаемости К, в связи с чем это отношение называют коэффициентом, или фактором, сопротивления слоя. На рис. 7 показана зависимость этого фактора от величины порозности слоев, образованных различными материалами.

16

Рис. 7. Зависимость фактора сопротивления слоя от его порозности для

различных сыпучих материалов:

1 – смесь шаров двух различных диаметров; 2 – шары одного диаметра;

3 – рудная смесь; 4 – однофракционная руда; 5 – агломерационная смесь; 6 –

однофракционный агломерат

На рис. 8 приведена зависимость относительных потерь давления от объемной доли мелкой фракции в слоях двухфракционных смесей сферических материалов при расположении их в виде равномерных смесей и отдельными слоями.

17

Рис. 8. Зависимость относительных потерь давления от объемной доли мелкой фракции в слое двухфракционной смеси сферических тел при их размещении в смеси и послойно:

1 – отношение диаметров мелкой и крупной фракции;

2 – смеси фракций; 3 – послойное расположение фракций

При послойном расположении двух фракций различного диаметра относительные потери давления в столбе шихты линейно возрастают с увеличением объемной доли мелкой фракции, что связано с возрастанием суммарной поверхности частиц и, соответственно, с увеличением работы газа на преодоление сил трения при прохождении потока газа через слой.

18

2. Расчет показателей, характеризующих газодинамические процессы в доменной печи

2.1. Расчет газодинамической напряженности доменной печи

Расчет ведется для двух зон печи: зоны сыпучих материалов; зоны шлакообразования.

Для зоны сыпучих материалов порозность шихты рассчитывается по формуле [1]

где Хi – объем частицы диаметром di.

Порозность слоя в зоне со стекающим расплавом рассчитывается по

уравнению, представленному в работе [2]:

где К – порозность кокса в заплечиках, м3/м3; d – размер кокса в заплечиках, м;

Ф – коэффициент формы (Ф = 0,5);ШЛ – плотность шлака, кг/м3 (ШЛ =2600 кг/м3); GШЛ – выход шлака, кг/с;

– вязкость шлака, Па с;

g – ускорение свободного падения, м/с2;

S – площадь заплечиков, м2.

Порозность кокса в заплечиках определяется по формуле

К = 0,007dККОЛ+0,0056CSR-0,311, (11)

где dККОЛ – средний размер кокса, загруженного на колошник, м;

19

где СО, СО2, Н2 – содержание соответствующих элементов в доменном газе,

доли ед.

Полученные значения количеств горновых и колошниковых газов приводят к реальным условиям доменной плавки по уравнению

где ТТ – теоретическая температура горения, 0С;

950 – температура газа на границе нижней и резервной зон теплообмена, 0С.

Для колошниковых газов:

20