научная статья по теме ТРЕХМЕРНАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ (ДИНАМИЧЕСКАЯ) МОДЕЛЬ АГЛОМЕРАЦИОННОГО ПРОЦЕССА. ЧАСТЬ II Металлургия

Текст научной статьи на тему «ТРЕХМЕРНАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ (ДИНАМИЧЕСКАЯ) МОДЕЛЬ АГЛОМЕРАЦИОННОГО ПРОЦЕССА. ЧАСТЬ II»

УДК 669.162.16

ТРЕХМЕРНАЯ МАТЕМАТИЧЕСКАЯ (ДИНАМИЧЕСКАЯ) МОДЕЛЬ АГЛОМЕРАЦИОННОГО ПРОЦЕССА. Часть II*

© Фролов Юрий Андреевич, д-р техн. наук, e-mail: uaf.39@mail.ru НПП ООО «Уралэлектра». Россия, г. Екатеринбург Полоцкий Лев Исаакович, канд. техн. наук, e-mail: mlpol@mail.ru ОАО «Уральский институт металлов». Россия, г. Екатеринбург Статья поступила 21.04.2014 г.

Представлена трехмерная математическая (динамическая) модель агломерационного процесса, разработанная для решения теоретических и практических задач. Модель позволяет получать в реальном режиме работы агломерационной машины динамическое распределение температур и химического состава шихты, расплава, спека и газа в объеме слоя спекаемой шихты с учетом переходных процессов, а также температуры в паллетах и параметры газового потока в газоотводящем тракте агломашин, включая подсосы воздуха.

Ключевые слова: математическая трехмерная (динамическая) модель; агломерационный процесс; агломашина; газ; влажность; восстановление; газодинамика; испарение; конденсация; нагрев; окисление; охлаждение; плавление; скорость фильтрации; температура; топливо; химический состав; шихта.

Использование математической модели в научных целях. На

примере условий работы аглофабрики ОАО «ЧМК» с помощью модели исследовали тепломассообмен в слое спекаемой шихты. Распределение температур материала в слое показано на рис. 1. Сразу же после зажигательного горна вследствие поступления в слой атмосферного воздуха и потерь тепла поверхностью слоя радиацией температура материала в верхней части слоя резко снижается.

Воздух, охлаждающий спек и затем поступающий в зону горения, нагревается на глубине слоя 35 мм до 680 °С, а его максимальная температура (1316 °С) достигается на глубине 300 мм от поверхности слоя. Максимальная же температура материала - 1343 °С достигается на глубине слоя 110 мм (рис. 2). Фактором, определяющим эффективность теплообмена в этой части слоя, является

разное содержание топлива (3,98% в верхней четверти слоя и 3,14% - в нижней), что подчеркивает важную роль сегрегации шихты по крупности и, соответственно, по содержанию топлива по высоте слоя. В пределах площади зоны спекания, включая зажигательный

•Часть I - см. Металлург. 2014. № 12. С. 42-47.

Зона спекания Зона охлаждения

Рабочая длина агломашины, м

Рис. 1. Распределение температуры по длине и высоте слоя материала и в колосниках

горн, подача горячего теплоносителя в слой теоретически полезна. Однако за исключением использования горячего воздуха в зажигательном горне, если он отапливается низкокалорийным газом, рециркуляция отходящих газов с дожиганием СО в слое с подачей рециркулянта (части отходящих из зоны спекания газов) на всю площадь зоны спекания более эффективна, так как при этом одновременно решаются теплотехнические и экологические задачи.

Расчетное распределение температуры газа и материала, отнесенное к сечению слоя на 20 м длины агломашины, показано на рис. 3. В верхней ступени теплообмена температура воздуха меньше, чем температура материала, а в нижней - наоборот. Максимальный перепад температур между материалом и газом достигает в верхней ступени 500 °С. В зоне переувлажненной шихты перепад температуры между газом и материалом пренебрежимо мал. Теплообмен в его нижней ступени завершенный и, что не менее важно, совершенный, так как газ из слоя выходит с низкой температурой. Зона сушки в данном сечении слоя имеет высоту 25 мм, область диссоциации известняка - 70 мм (см. рис. 3). Зона горения топлива в конце зажигания шихты имеет высоту 35 мм (увеличенную из" 1400 _____:-

£ 1200 2 1000 & 800 Е? 600 & 400

ё 200-2 0 ° £ 0 200 400 600

Глубина слоя, мм

тк.

Рис. 2. Изменение температуры газа ^ (воздуха) на входе в зону горения |

топлива сверху вниз по высоте слоя ¡5

у

03 &

н

СЗ

Ср

си с

1350 1150 950 750 550 350 150 -50 -250 -450 -650

350

Высота слоя сверху вниз, мм

Рис. 3. Распределение температуры материала, газа и перепада температур между ними по высоте слоя спекаемой шихты: 1 - зона сушки, к = 25 мм; 2 - зона горения топлива, к = 25 мм; 3 - область диссоциации СаСО3, к = 70 мм; цифры у кривых - максимальная температура газа на данной глубине слоя

70 60 50 40 30 20 10 0

10 20 30 40 50 60 Рабочая длина агломашины, м

70

Рис. 4. Распределение количества расплава по длине и высоте слоя

за дефицита кислорода), а после выхода из-под горна сужается до 25-30 мм. В основном периоде агломерации эта зона остается практически постоянной по высоте слоя. Завершение сушки шихты на границе слой-постель происходит на длине агломашины 34,25 м, а горения топлива -на 38,50 м.

Расплав в верхнем элементарном слое высотой 25 мм практически исчезает через 30 с после зажигания шихты, когда в слой поступает атмосферный воздух, но уже на глубине слоя 35 мм его массовая доля восстанавливается до 41% (рис. 4). К нижней границе слоя высота зоны расплава увеличивается в соответствии с распределением температуры, и количество расплава достигает 67%.

По мере формирования зоны горения топлива содержание О2 в отходящем из слоя газе (рис. 5) уменьшается под зажигательным горном от 10% (под первой секцией) и 13% (под второй секцией) в горновом газе до 5-6% - на выходе из слоя. После выхода слоя из-под горна оно возрастает в результате поступления в слой атмосферного

10 20 30 40 50 Рабочая длина агломашины, м

Рис. 5. Распределение О2 газа по длине и высоте слоя

16 14

° -с 12

8 10 «

! 8

С- 6

а

% 4

Я)

2 0

¡о О

10 15 20 25 30 Длина зоны спекания, м

35

40

Рис. 6. Распределение СО2 газа по длине и высоте слоя

воздуха и стабилизируется на уровне 10,7%. Часть кислорода (до 2%) расходуется на окисление БеО спека до Бе2О3 над зоной горения топлива, и чем глубже перемещается зона горения, тем больше расходуется О2. Поэтому чем выше слой, тем меньше содержание БеО в агломерате.

Распределение содержания СО2 в газовом потоке по высоте слоя (рис. 6) растет под зажигательным горном в результате диссоциации известняка, уменьшается за горном и дополнительно - в нижнем слое, содержащем меньше углерода. Высота области диссоциации СаСО3 в слое изменяется по высоте слоя от 25 мм в конце зажигания до 70-80 мм на глубине слоя 80 мм и далее стабилизируется до завершающего периода агломерации. В конце зоны спекания в слое высотой 55 мм, прилегающем к постели, содержится частично не прореагировавший СаСО3 (от 5% на верхней границе этого слоя до 67% на нижней). Диссоциация СаСО3 завершается в зоне охлаждения через 1,7 мин после завершения спекания.

Максимальное содержание БеО в зоне горения, где идут восстановительные процессы, растет от 15,7% в исходной шихте до 32% в верхней части слоя, уменьшаясь до 27% в нижней, что обусловлено условиями зажигания и сегрегацией топлива по высоте слоя (рис. 7). Приход тепла от окисле-

5

0

0

35 30 25 20 15 10 5

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 Высота слоя, мм

Рис. 7. Распределение по высоте слоя максимального содержания FeO по ходу процесса агломерации и в конце зоны охлаждения агломашины

ния БеО до Ре2О3 в рассматриваемых условиях составляет 26% в тепловом балансе процесса.

Скорость фильтрации газа (рис. 8) растет в слое сверху вниз в результате увеличения объема газа вследствие испарения влаги шихты и диссоциации известняка, но ее абсолютное значение в начальном периоде процесса уменьшается как из-за испарения влаги шихты, так и роста средней температуры газа по высоте слоя (до 200 °С к концу зажигания). На практике этому способствует и усадка слоя, сопровождающаяся снижением порозности. После зажигательного горна, по мере уменьшения высоты зоны переувлажненной шихты (обладающей повышенным газодинамическим сопротивлением), скорость фильтрации газа непрерывно растет. При переходе слоя в зону охлаждения с пониженным разрежением скорость фильтрации вначале уменьшается от 0,415 до 0,340 нм/с, а затем вновь растет - в результате снижения средней по высоте слоя температуры спека.

Подобранное рациональное разрежение при дросселировании двух первых вакуум-камер в первой и второй вакуум-камерах составляет 3,5 и 6,0 кПа. В начале процесса скорость фильтрации газа меньше для шихт с более высокой начальной температурой, так как у них при конденсации в слой переходит меньший объем пара, а большая его часть остается в газе, увеличивая объем газа и потери его давления в слое. В основном периоде агломерации благодаря подсушке шихты наблюдается противоположная закономерность. Поэтому чем выше начальная температура шихты, тем меньшая глубина дросселирования требуется для первых двух вакуум-камер.

Процессы сушки шихты и конденсации влаги при агломерации изучали многие исследователи, но наиболее глубоко - В.И.Коротич с соавторами [1, 2], в результате чего были разработаны

0 10 20 30 40 50 60 70 80 Рабочая длина агломашины, м

Рис. 8. Изменение скорости фильтрации газа на входе и выходе из слоя по длине агломашины

основы теории этих процессов. Однако расчеты тепломассообмена выполнялись в них на основе приближенных зональных материальных и тепловых балансов. Более строгое математическое описание этих процессов выполнено под руководством Ф.Р.Шкляра [3], однако в модели отсутствует учет горения топлива и физико-химических превращений. Уточненная и дополненная с помощью трехмерной математической модели теория сушки и конденсации влаги изложена в работе [4].

Некоторые результаты исследования на примере технологических условий работы агломаши-ны площадью спекания 312 м2 аглофабрики ОАО «ЗСМК», спекающей шихту на тонких концентратах, представлены ниже.

Согласно анализу, максимальное содержание водяных паров в газе, снижаясь в слое сверху вниз от 62 до 37%, стабилизируется на глубине 35-40 мм от поверхности слоя. После зажигания шихты происходят перераспределение и плавное уменьшение по высоте слоя содержания водяных паров в газе и температуры точки росы. В самом начале нагрева слоя под горном максимальная объемная доля пара, отнесенная к сухому газу для шихт с температурой 0, 20, 60 и 82 °С, составляет 56, 62, 82 и 118%, а на нижней границе слоя - 22, 27, 37 и 108% соответственно.

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком