Математические модели радиального распределения шихты в доменных печах

Приведен обзор существующих отечественных и зарубежных математических моделей радиального распределения шихты при использовании бесконусного загрузочного устройства....

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии
Дата:	2004
Автори:	Большаков, В.И., Муравьева, И.Г., Белошапка, Е.А., Варивода, И.Е.
Формат:	Стаття
Мова:	Російська
Опубліковано:	Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України 2004
Теми:	Производство чугуна
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/21059
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Математические модели радиального распределения шихты в доменных печах / В.И. Большаков, И.Г. Муравьева, Е.А. Белошапка, И.Е. Варивода // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. научн. тр. — Дніпропетровськ.: ІЧМ НАН України, 2004. — Вип. 8. — С. 85-101. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

_version_	1860188229047681024
author	Большаков, В.И. Муравьева, И.Г. Белошапка, Е.А. Варивода, И.Е.
author_facet	Большаков, В.И. Муравьева, И.Г. Белошапка, Е.А. Варивода, И.Е.
citation_txt	Математические модели радиального распределения шихты в доменных печах / В.И. Большаков, И.Г. Муравьева, Е.А. Белошапка, И.Е. Варивода // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. научн. тр. — Дніпропетровськ.: ІЧМ НАН України, 2004. — Вип. 8. — С. 85-101. — Бібліогр.: 16 назв. — рос.
collection	DSpace DC
container_title	Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии
description	Приведен обзор существующих отечественных и зарубежных математических моделей радиального распределения шихты при использовании бесконусного загрузочного устройства.
first_indexed	2025-12-07T18:05:16Z
format	Article
fulltext	85 УДК 669.162.283 В.И. Большаков, И.Г. Муравьева, Е.А. Белошапка, И.Е. Варивода МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ РАДИАЛЬНОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ШИХТЫ В ДОМЕННЫХ ПЕЧАХ Приведен обзор существующих отечественных и зарубежных математических моделей радиального распределения шихты при использовании бесконусного загрузочного устройства. Оптимизация распределения шихты в доменной печи является важ- ным средством достижения высокой производительности при минималь- ном расходе кокса и увеличении длительности межремонтных периодов работы. Характер распределения шихтовых материалов по радиусу ко- лошника доменных печей, оснащенных бесконусными загрузочными уст- ройствами (БЗУ) лоткового типа, определяется уровнем засыпи, видом и массой загружаемых материалов, режимом работы лотка (скорость и на- правление вращения, углы наклона, программа их изменения), а также расположением компонентов шихты на конвейере и в бункерах загрузоч- ного устройства. Анализ существующих моделей распределения показал, что в мире наиболее широко распространены модели контроля и расчета радиального распределения шихты на печах большого объема, оснащен- ных БЗУ. Известные модели радиального распределения, как правило, жестко привязаны к конкретному объекту и требуют существенной пере- работки для использования на других доменных печах. Структура, состав и математическое описание этих моделей существенно отличаются и из- меняются в зависимости от решаемых задач и используемых разработок. Модель распределения шихтовых материалов должна учитывать ре- жим формирования многокомпонентных порций на шихтоподаче, их трансформацию при загрузке в бункеры БЗУ и выгрузке в доменную печь (ДП), движение частиц в газовом потоке колошникового пространства, их распределение на поверхности засыпи, перераспределение материалов, движение при опускании столба шихты и формирование зоны плавления в доменной печи. Однако такой полной модели, воспроизводящей, с доста- точной достоверностью, описанные процессы сегодня не существует. Ос- новные проблемы создания подобной модели: 1. отсутствуют надежные способы и средства контроля грануломет- рического и физико–химического состава шихтовых материалов при их выгрузке из расходных бункеров шихтоподачи; 2. недостаточно изучены процессы перераспределения грануломет- рического состава по сечению слоев на конвейере и в потоке шихтовых материалов при загрузке их в бункеры загрузочного устройства (ЗУ), в газовом потоке колошникового пространства и при течении материалов по откосам поверхности засыпи; 86 3. отсутствует математическое описание процессов движения и пере- распределения шихтовых материалов по гранулометрическому и химиче- скому составу при их разгрузке; 4. недостаточно материалов и результатов исследований особенно- стей образования и изменения слоев шихты в работающей ДП (распреде- ление компонентов в смешанных порциях, перераспределение кокса после выгрузки на него порции железосодержащих материалов); 5. нет достоверного, проверенного экспериментально описания и мо- делей формирования и изменения при различных режимах работы печи зоны плавления и других элементов структуры столба шихтовых мате- риалов в печи. По назначению и использованию математические модели радиального распределения шихты могут быть разделены на несколько категорий, ко- торые накладывают существенные ограничения и на структуру моделей, на объем памяти, необходимый темп работы, а также на состав, гибкость и структуру основных блоков этих моделей. Выделим следующие типы моделей: • Исследовательские модели, предназначенные для эксплуатации в лабораторных условиях. Цель создания таких моделей – исследование процессов загрузки шихты, оценка различных технических решений, раз- витие, совершенствование и оценка математических моделей. Эти модели не связанны оперативно с работой реального объекта, они должны быть достаточно гибкими, трансформироваться для решения широкого круга технических задач на разных печах с использованием различных конст- рукций системы загрузки. • Оперативные модели, предназначенные для инженерных расчетов и выбора параметров и программ загрузки технологическим персоналом доменного цеха. Эти модели предназначаются для решения четко ограни- ченного в техническом задании круга задач, обеспечиваются базой дан- ных, соответствующей условиям работы данного доменного цеха и конст- рукций системы загрузки доменной печи. Они должны учитывать особен- ности формирования распределения шихты при типичных нарушениях хода печи (периферийный, центральный ход) и при использовании раз- личных приемов управления распределением шихты. • Модели, предназначенные для работы в составе САК доменной печи. Эти модели сейчас целесообразно применять в комплексе с систе- мами измерения профиля засыпи шихты на колошнике ДП, чьи показания могут быть использованы в качестве исходных данных для моделирова- ния структуры слоев материала в вертикальном сечении и для расчета технологических показателей и параметров. Среди зарубежных моделей, наиболее известна и совершенна матема- тическая модель «Профиль» фирмы АО «Тиссен сталь» («THYSSEN STAHL AG»). К особенностям этой модели следует отнести: 87 • Скорость схода шихты по радиусу задается в абсолютных едини- цах (см/мин) в соответствующих точках радиуса и пересчитывается про- граммно в относительные единицы, либо задается в относительных еди- ницах. Скорость схода шихты может быть задана кусочно–линейной функцией. На основе заданного распределения скоростей схода шихты, рассчитывается опускание слоев материала на колошнике и в шахте печи как сход полигона (фигуры) или движения потоков. • Допускается задание углов откоса материалов к оси 1α и перифе- рии печи 2α . Причем угол откоса на периферии 2α может быть постоян- ным или задаваться в зависимости от используемого в верхней позиции угла наклона лотка. • Предусмотрено только равномерное деление массы порции по уг- ловым положениям лотка. • В модели, для расчета движения шихтовых материалов в печи ис- пользуются траектории движения шихты в колошниковом пространстве. При стандартной длине лотка 3,5м используются траектории, полученные экспериментально на стенде фирмы П. Вюрт. В случаях, когда длина лот- ка существенно отличается от стандартной, как на ДП–5 «Северстали», где установлен лоток длиной 5м, фирма запросила траектории у заказчи- ка. В этой модели использованы траектории, рассчитанные ИЧМ [1]. • Исходный профиль и слои материалов в печи для заданного цикла рассчитываются путем итерации. Сначала исходный профиль считается горизонтальным и на него выгружаются и рассыпаются слои материала. Такой расчет выполняется несколько раз (n итераций цикла) и после каж- дой итерации сравниваются величины смежных профилей. Когда макси- мальная разность высот соответствующих профилей становится меньше заданной, расчет заканчивается. Объем материалов после рассыпания по кольцевым зонам колошника должен быть равен объему загруженных материалов цикла. При счете без итерации возможны ошибки: потеря слоя, большие недостачи по объему материала. • Моделируется сегрегация материала в кольцевых зонах колошни- ка. В качестве исходных данных для сегрегации используется фракцион- ный состав порций шихтовых материалов. При моделировании сегрегации выгруженный слой делится на три зоны: периферийная, зона траектории и осевая. Первая и третья зоны – зоны рассыпания материала. Вторая зона – зона траектории – принята шириной 0,6 м. При моделировании сегрегации считается, что в первой и второй зонах грансостав соответствует среднему граносоставу порции. В направлении осевой зоны наблюдается наиболь- шая сегрегация, так как здесь происходит течение материала по откосу. Предполагается, что на границе со второй зоной соотношение мелкой и средней фракции такое же, как и во второй зоне, а у оси печи мелкие фракции отсутствуют. Распределение мелких фракций в слое ведется по линейному закону. 88 • Возможность моделирования загрузки материалов как от перифе- рии от оси печи, так и в обратном направлении. • При изменении уровня засыпи соответственно изменяется распре- деление шихты по радиусу колошника печи. • Учитывается опускание материалов в коническую часть шахты печи. По результатам расчета модели «ПРОФИЛЬ» проверяются изменения построенного профиля материала и углы откоса верхнего слоя. При суще- ственно неравномерном распределении скоростей схода шихты перед за- грузкой следующей порции может происходить пересыпание материала по исходному слою, однако должен сохраняться предельный угол откоса. В модели «ПРОФИЛЬ» заложены результаты исследований как соб- ственно фирмы «Тиссен сталь» (расчет профиля материала с учетом рас- сыпания по поверхности засыпи), так и алгоритмы и модели других ис- следователей. Авторы модели: Peters K.H., Kreibich K., Mülheims K., Bachhofen H. J. Математическая модель фирмы «Тиссен сталь», кроме подсистемы «Профиль», включает следующее: модель определения количества газа в каждом кольцевом сечении шахты с оценкой предельной степени его ис- пользования в этих зонах и в целом по печи, определение границ зоны плавления, расчет расхода топлива (кокса) по кольцевым зонам и в целом по печи. Однако широкого применения эта математическая модель на ме- таллургических комбинатах стран СНГ и зарубежья не получила. В работе немецких исследователей [2] описана модель распределения масс потока шихтовых материалов при сходе с лоткового распределителя БЗУ. Как указано в работе, ширина ссыпающегося с вращающегося жело- ба материала зависит от угла установки желоба и, независимо от вида ма- териала, достигает максимума при 34 град. Причина этого, по мнению исследователей, заключается в том, что попадающий на желоб материал, в зависимости от угла установки желоба, подпрыгивает или ссыпается. Ма- териал, который подпрыгивает на желобе, движется в направлении про- дольной оси желоба, часть его, под действием силы Кориолиса, оттесня- ется к боковой стенке желоба. При угле меньше 34 град. преобладает его ссыпание. В переходной области, где одновременно наблюдаются оба вида движения материала, поток материала состоит из двух по–разному движущихся частей потоков с соответственно большей общей шириной. Анализ движения шихты по ребристому вращающемуся лотку выполнял- ся ранее и описан в работах отечественных ученых [1, 3]. Количественное распределение по радиусу в горизонтальном сечении струи показано на рис.1. Распределение масс материала в сечении потока исследовалось и ра- ботах отечественных ученых [4, 5] на Новолипецком металлургическом комбинате. В результате экспериментальных исследований были получе- ны похожие распределения масс по сечению потока, однако, резкого из- 89 менения поведения потока материалов при угле наклона распределителя 34 град обнаружено не было. Рис. 1. Количественное распределение материала в падающей струе при раз- личном угле установки вращающегося лоткового распределителя шихты (точка замера 180 град., материал – агломерат, уро- вень засыпи – 2м, длина лотка – 3,0м). Особенностям дви- жения шихтовых мате- риалов на колошнике ДП и в колошниковом пространстве до встречи с поверхностью засыпи посвящена работа [6] чешских ученых. В этой рабо- те, как и во многих других исследованиях, движение потока шихтовых материалов было упрощено до движения одной частицы, т.е. не учитыва- лось взаимодействие частиц. В модели учтено влияние вида материала, размера частицы материала, угла наклона лотка, частоты вращения, ско- рости движения потока колошникового газа и точки падения материала на распределительный лоток на траектории движения материала до поверх- ности засыпи. Модель [6] использовалась для расчета положения гребня материала из конкретно углового положения лотка. Для расчетов профиль поверхности засыпи принимался горизонтальным. Математическая модель радиального распределения шихты на ко- лошнике, разработанная фирмой «ИТАЛСИДЕР», исходя из параметров загрузки, точек падения, состава шихты и физических свойств шихтовых материалов (объемная плотность, угол естественного откоса), дает воз- можность получить на выходе следующие параметры: диаграмму ради- ального профиля каждой подачи, тенденцию изменения объема каждого компонента шихты (в процентах) и рудной нагрузки по радиусу, тенден- цию изменения газопроницаемости шихты по радиусу. Модель также оп- ределяет следующие параметры распределения шихты: процентный объ- ем кокса в центре, процентный объем кокса на периферии, радиус окруж- ности, ограничивающей центральную зону, занятую только коксом, если таковая имеется, увеличение коксового показателя в центральной части поперечного сечения, увеличение площади, занятой коксом. Однако, в зарубежных публикациях практически отсутствует информация о мето- дах, применяемых для моделирования распределения шихтовых материа- лов на колошнике ДП, а также об использовании результатов моделиро- вания для оперативного управления загрузкой. 90 В СССР первая полномасштабная модель контроля загрузки шихты в ДП, оснащенную лотковым БЗУ, была реализована в 1982 году учеными ВНИИАЧермета и ИЧМ на ДП–6 НЛМК [4, 5]. Математическим моделированием распределения шихтовых материа- лов на колошнике ДП также занимались и японские исследователи [7–10]. В работе [8] описана методика создания математической модели распре- деления шихты по радиусу ДП, а также результаты экспериментальной проверки модели и возможности ее применения. Модель была разработа- на для оценки распределения шихты при выгрузки ее в ДП при помощи лоткового БЗУ. В ней учтены внутрипечные параметры, действующие на распределение шихты. Допущения, принятые в модели: • рассыпание шихты по поверхности засыпи формируется последо- вательным наслоением предполагаемых единичных объемов шихтовых материалов, на которое разбивается общая подача материала (разделенная по числу оборотов лотка); • сегрегация по размерам зерен слоев, насыпаемых из предполагае- мых единичных объемов, происходит только в радиальном направлении, а по высоте не происходит; • распределение масс шихтовых материалов внутри потока, сходя- щего с лоткового распределителя шихты принято пикообразным и сим- метричным, с максимальной массой на центральной линии; • вершина пика насыпного слоя не соответствует точке падения шихты, она обычно смещена к стенке печи; • при загрузке железорудной части шихты на кокс до 2–го оборота лотка обрушение кокса не происходит; • при загрузке руды на третьем обороте лотка поверхностный слой кокса у стенок печи и на промежуточном участке обрушивается, сползая к оси печи, а руда самотеком доходит до промежуточного участка и образу- ет слой; • разделение выгруженных слоев материала по крупности частиц в радиальном направлении изменяется в зависимости от количества выгру- женного материала за каждый оборот лотка и толщины насыпанного слоя, скорости газового потока и т.п.; • сползание мелкой фракции материала к центру печи прямо про- порционально ускорению сползания под действием нагруженных сверху слоев. Моделирование профиля поверхности засыпи, образованного при вы- грузке шихтовых материалов в ДП идет в четыре этапа. 1. Единичный объем железосодержащих материалов насыпается в точку падения, которая представляет собой точку пересечения траектории падения с вращающегося лотка (линия, проходящая по оси падающего потока) с поверхностью ранее выгруженного слоя. Конфигурация поверх- ности слоя кокса перед насыпанием железосодержащих материалов опре- 91 деляется с учетом изменений, связанных с распределением скорости газо- вого потока и распределением скорости опускания шихты. Распределение скорости газового потока и скорости опускания шихты представляется результатами измерений, полученных в ДП. 2. Под действием массы выгруженного железорудного слоя в слое кокса наступает состояние, при котором, по предположению авторов, воз- никает дугообразная поверхность скольжения, а при новом насыпании слоя с первичной конфигурацией, когда соблюдаются условия перерас- пределения кокса (величина коэффициента безопасности, рассчитанного для этой поверхности скольжения достигает предельного значения) про- исходит его сдвижка. Областью сдвижки считается область, ограниченная дугообразной поверхностью скольжения, по которой происходит переме- щение кокса к центру печи под углом, соответствующем углу внутреннего трения кокса. 3. При перераспределении кокса к оси печи происходит перераспре- деление рудных масс в промежуточных областях. Также происходит пе- ресыпание материала на поверхности засыпи в соответствии с углом есте- ственного откоса материала. 4. Выполняется расчет распределения размеров частиц по радиусу печи для каждого оборота распределительного лотка. С использованием этого распределения частиц рассчитывают распределение скорости газо- вого потока при насыпании каждого слоя, и корректируют профиль по- верхности засыпи в соответствии со скоростями газа. Далее производится корректировка профиля поверхности засыпи с учетом относительных ско- ростей опускания шихты. Такая оценочная модель была применена на ДП–1 в Муроране. Дан- ные по распределению скоростей схода шихты и газового потока брались из САК загрузки. С целью облегчения съема исходных данных для моде- лирования были заранее рассчитаны относительные скорости газовых потоков. Модели [9, 10] рассматривают процесс разрушения подложки кокса при выгрузке на него железосодержащих материалов с использованием «теории обвала», который учтен в общей математической модели форми- рования поверхности засыпи по радиусу колошника ДП. Согласно этим моделям, устойчивость наклонной поверхности скольжения определяется силой среза, действующей на этом откосе, и его силой сопротивления. Слой кокса перемещается, если коэффициент скольжения меньше 1. Скольжение кокса происходит по дуге. Была предпринята попытка при- менить разработанную модель к действующим доменным печам и полу- чены соответствующие экспериментальные значения коэффициента скольжения и степени устойчивости слоя кокса на наклонной поверхно- сти. Для применения модели сдвижки кокса наибольшую сложность со- ставляет определение радиуса дуги его скольжения. В работе [10] приво- дятся средние значения угла откоса для кокса в промежуточных зонах до 92 и после выгрузки железосодержащих материалов. Согласно материалам работы [9], явление обрушения находится в гораздо большей зависимости от давления, насыпаемой на слой кокса руды и сопротивления слоя кокса, чем от массы выгруженной руды и силы ее удара о поверхность засыпи. Основные принципы моделей [9, 10]: • масштабы сдвижки слоя кокса зависят от режима загрузки, влияющего на конфигурацию наклонной поверхности слоя кокса; • количество смещенного кокса изменяется в диапазоне 4–16 объ- емных % от общего количества загруженного кокса; • состояние насыпи кокса после перераспределения зависит от рас- пределения по радиусу печи скорости опускания шихты и скорости газа; • явление сдвижки кокса представляет собой плоское скольжение под действием груза руды (как и в работе [8]). Следует также отметить модель польских исследователей [11], кото- рая основана на следующих допущениях: скорость схода шихты вниз из- вестна, уровень шихты в процессе загрузки одной подачи не изменяется, угол наклона поверхности шихты зависит только от вида материала и принятой скорости схода шихты, сегрегация зерен материалов не учиты- вается. В модели [11] разность схода шихты учитывается путем выбора соот- ветствующего угла наклона основания, т.е. профиля шихты перед загруз- кой следующей порции. Вычисление профиля шихты заключается в опре- делении формы сечения последовательных колец, для чего используется метод простых итераций. Результатом применения модели является коли- чественное определение распределения материалов на колошнике. В работе [12] описывается модель радиального распределения шихто- вых материалов, которая учитывает формирование в оси смешанного слоя (кокс + железосодержащие материалы) в процессе перераспределения кокса при выгрузке на него рудной части шихты. В этой модели также рассчитывается скорость схода шихтовых материалов по радиусу ДП в соответствии с технологическими параметрами доменной плавки. Модель [13] позволяет определить распределение шихтовых материа- лов по всему сечению ДП с учетом газопроницаемости слоев шихтовых материалов в сухой и вязкопластичной зонах, теплового перераспределе- ния между фазами и стенками печи. Результаты моделирования хорошо согласуются с показаниями микроволнового профилемера. Смешанная порция (агломерат + окатыши) выгружается как дополнительный вид ма- териала с механическими и химическими свойствами агломерата и ока- тышей в долях их участия в формировании смеси. В этой модели также учитывается сегрегация материала при его выгрузке с лотка. Результаты исследования сегрегации различных видов материала приведено в работе [14]. Согласно этим исследованиям распределение средних частиц как агломерата, так и кокса по сечению потока является равномерным, тогда 93 как распределение крупных и мелких частиц в радиальном сечении пото- ка приближается к синусоидальной форме. Среди существующих отечественных моделей радиального распреде- ления шихтовых материалов в ДП [3], можно выделить три базовых моде- ли. Они отличаются методическими подходами, объемом используемой информации, структурой и содержанием математического аппарата и осо- бенностями представления выходной информации. Модель ВНИИАЧермет, внедренная на ДП–9 «Криворожсталь» и ДП– 6 НЛМК отличается наибольшим объемом входной информации, полу- чаемой непосредственно с печи. Она включает расчет траекторий движе- ния частиц по методике ИЧМ с учетом характеристик шихты и газового потока [1, 3, 15] и замкнутый расчет распределения объема выгружаемой порции на исходный профиль засыпи с учетом рассыпания, работает в темпе процессом загрузки печи. Достоверность результатов расчетов с использованием этой модели определяется рядом упрощающих предпо- ложений, используемых при расчете исходного профиля, отсутствием результатов прямого измерения профиля и распределения скоростей схо- да шихты по радиусу колошника и недостаточно надежным контролем при помощи электромеханических зондов опорных точек исходного и конечного профилей поверхности засыпи при загрузке очередной порции. На основе модели, внедренной на ДП–6 НЛМК, позднее разработана САК загрузки для ДП–3 «Азовстали». Одной из особенностей модели на ДП–6 НЛМК было включение в ее состав блока расчета траекторий движения шихты в газовом потоке колошникового пространства. Опыт ее использо- вания показал, что расчет траекторий в темпе с процессом обеспечивает некоторое уточнение расчетов, так как позволяет оперативно учитывать изменения дутьевого и газодинамического режима работы печи, однако при этом существенно усложняется модель [3]. На практике удобнее ис- пользовать пакет из нескольких рассчитанных заранее траекторий для разной интенсивности дутья и использовать их в готовом виде. Разработанная в ДМетИ математическая модель загрузки печи лотко- вым ЗУ позволяет получать количественные характеристики распределе- ния компонентов шихты по сечению печи [16]. В качестве входных пара- метров модели используются: вид загружаемых материалов (агломерат, окатыши, кокс); масса порций отдельных компонентов шихты; насыпная масса и углы откоса материалов; угловые положения лотка, при которых загружается в печь каждая порция материала; уровень засыпи; скорость опускания шихтовых материалов по радиусу печи; число и ширина коль- цевых зон, для которых определяются количественные характеристики распределения; число и последовательность порций компонентов шихты в цикле; время загрузки порций шихты в печь; размеры колошника печи; основные размеры ЗУ и характеристика режима работы лотка. Выходны- ми параметрами модели являются: значения рудных нагрузок в кольцевых зонах сечения колошника; профиль поверхности засыпи материалов после 94 загрузки цикла порций; эпюра толщин слоев кокса и железорудных мате- риалов в вертикальном сечении печи для цикла порций шихты. Во всех отечественных и ряде зарубежных моделей используются траектории движения шихты по лотку загрузочного устройства и в газо- вом потоке колошникового пространства после схода с лотка, рассчиты- ваемые по модели ИЧМ путем решения системы дифференциальных уравнений [1, 15]. В модели, запрограммированной на вычислительном комплексе ДП–9, [16], траектории аппроксимированы полиномами в со- ответствии с результатами расчета, выполненного в отделе машиноведе- ния ИЧМ [15]. Точка встречи потока материалов с поверхностью шихты определяет- ся координатой, совпадающей с радиусом печи, на котором траектория движения шихты пересекается с линией профиля засыпи. За профиль за- сыпи на первой итерации принимается обычно прямая линия, а на после- дующих итерациях – ломаная линия, получающаяся в результате расчета профиля шихты на предыдущей итерации, с учетом влияния режима за- грузки и распределения скоростей опускания шихты по радиусу печи. Влияние формы задаваемого исходного профиля на результаты расчетов практически исчезает уже на второй–третьей итерациях. Основные положения модели: • После встречи с поверхностью шихты, ссыпающийся с лотка ма- териал образует вокруг оси печи фигуру вращения, имеющую в верти- кальном сечении многоугольник ABCDEF (рис.2). Координаты точек А и С определяются путем последователь- ных приближений из условия, что объем образовавшейся фигуры враще- ния равен объему порции загруженно- го материала. Рис. 2. Схема расположения на ко- лошнике порции шихты, загружаемой в печь вращающимся лотком: 1 – лоток за- грузочного устройства; 2 – траектория потока шихты; 3 – новый профиль поверх- ности шихты; 4 – исходный профиль по- верхности засыпи. • Углы α1 и α2 задаются для каждого из загружаемых материалов. • Расчеты проводятся для всех частей порции материала, загружае- мых в печь при разных угловых положениях вращающегося лотка. Опре- деляется, сколько материала данного вида попало в каждое из кольцевых сечений, и рассчитывается их сход в шахту ДП на заданный уровень за- сыпи по оси опускания зондов. • Процесс расчета длится до тех пор, пока не будет исчерпан весь цикл загрузки. 95 В конце цикла определяются рудная нагрузка в отдельных кольцевых сечениях и окончательная форма профиля засыпи. В модели загрузки, разработанной для ДП–9, предусмотрена возможность контроля формы профиля засыпи также и после загрузки каждой из порций материала. Модель ИЧМ, испытанная на ДП–9 комбината «Криворожсталъ» вне- дрена на ДП–6 НЛМК и в САУ ДП–5 ОАО «Северсталь» [3], отличается тем, что при расчете распределения рудных нагрузок и объемов шихты по радиусу колошника используются рассчитанные, с учетом газового пото- ка, траектории движения шихты и фактические данные о работе лотково- го распределителя. Разработка этой модели началась в 1974 г. с создания методики расчета траекторий движения шихты в газовом потоке колош- никового пространства для конусной загрузки. В 1980 г. создана модель движения частиц по лотку и далее в колошниковом пространстве. В 1984г. она была дополнена алгоритмом распределения шихты на поверх- ности засыпи. В 1995г. разработка этой модели была завершена с уточне- нием принятых допущений на основе проведенных исследований и мо- дельных расчетов и созданием модели радиально–окружного распределе- ния шихты, позволяющей учесть окружную неравномерность, возникаю- щую при использовании лоткового распределителя шихты. В настоящее время модель радиального распределения шихты усовершенствована с учетом новых знаний и результатов исследований, и реализована на ЭВМ с использованием современных информационных технологий. Моделиро- вание распределения рудных нагрузок и объемов шихты по радиусу ко- лошника в этой модели основано на предположении о том, что каждая часть порции шихты укладывается только в ту кольцевую зону, в которую ее направляет лотковый распределитель, и не перемешается в соседние зоны. Использование фиксируемых показателей работы лоткового рас- пределителя шихты определили широкое применение этой модели для управления загрузкой. Важной особенностью этой модели, отличающей ее от других является ее реверсивность, т.е. она позволяет как контроли- ровать загрузку по заданной программе, так и определять программу по заданному распределению шихты. Основное назначение модели радиального распределения шихты – расчет и оценка параметров распределения шихтовых материалов по ра- диусу колошника ДП как для существующих, и для новых программ за- грузки, оценка влияния на распределение шихты и выбор рациональных конструктивных и режимных параметров работы БЗУ. С учетом вышеизложенного, выделим следующие требования к мате- матической модели распределения шихтовых материалов на колошнике ДП: 1. класс математической модели – исследовательская модель (для применения в лабораторных условиях); 96 2. учет истечения шихтовых материалов (особенно смесей) при вы- грузке их из бункеров, т.е. последовательность выгрузки слоев материала на колошник; 3. расчет движения материалов по лотковому распределителю шихты от места падения до точки схода с определением параметров схода мате- риала; 4. расчет траекторий движения материалов в колошниковом про- странстве для базовых параметров дутьевого режима; 5. учет уровня засыпи материала по двум зондам или профиля по диаметру с расчетом относительной скорости схода материала по радиусу колошника (лучше по данным профилемера); 6. моделирование процесса перераспределения кокса при выгрузке на него железосодержащих материалов; 7. формирование структуры выгруженных слоев материала в про- дольном сечении. Исходными данными для модели являются: • геометрические параметры ДП: диаметр и высота колошника, угол наклона образующей шахты печи; • геометрические и кинематические параметры БЗУ: длина, радиус сечения лотка, высота стенки лотка, высота подвеса и угловая скорость вращения распределителя, количество рабочих угловых положений и угол наклона лотка в каждом положении, диаметр центральной трубы БЗУ и ее смещение относительно оси подвеса лотка; • характеристики шихтовых материалов (кокса, агломерата, ока- тышей): насыпные веса и плотность, коэффициенты сопротивления дви- жения по поверхности лотка, углы откоса, распределение массы материа- ла по сечению потока, сходящего с лотка, размер основных фракций; • параметры колошникового газа (давление, температура, ско- рость). Выходными данными модели радиального распределения шихты яв- ляются: • радиальное распределение масс, объемов материалов и рудных нагрузок в кольцевых зонах колошника; • распределение толщин слоев материалов по радиусу; • профиль поверхности засыпи и картина укладки слоев материа- лов по радиусу и высоте печи при загрузке цикла порций с учетом смеще- ния поверхности кокса под действием веса выгруженной на кокс рудной порции и опускания материалов печи с заданным распределением скоро- стей схода по радиусу. Радиальное распределение материалов в модели рассчитывается для заданного числа равновеликих кольцевых зон колошника, соответствую- щих числу рабочих угловых положений распределителя БЗУ. Модель ра- диального распределения шихты предполагает усредненное по окружно- 97 сти радиальное распределение материалов, одинаковое во всех секторах окружности колошника. Кроме интегральных характеристик распределе- ния материалов на колошнике, модель радиального распределения шихты позволяет рассчитать: • характеристики движения отдельной частицы потока материала по распределителю; • скорость, угол поворота сечения потока относительно оси лотка; • угол вылета частицы при сходе с лотка; • траектории потока в колошниковом пространстве; • радиусы падения на поверхность засыпи; • ширину потока; • высоту встречи со стенкой колошника. Эти характеристики используются для выбора конструктивных и ре- жимных параметров распределителей БЗУ (длины, рабочих угловых по- ложений распределителя). Радиальное распределение шихты моделируется для любой заданной программы загрузки и режимов работы ЗУ ДП, выгрузки и распределения шихтовых материалов при движении их по трактам ЗУ, распределителю и в газовом потоке колошникового пространства до поверхности засыпи. Моделируется движение материала от шихтового затвора по наклонной течке и центральной трубе до поверхности лотка; движение по вращаю- щемуся распределителю и сход с его поверхности; полет в противотоке колошникового газа и падение на поверхность засыпи; движение и рас- пределение материала по поверхности засыпи; опускание материалов в печи о учетом заданного радиального распределения скорости схода ших- ты. Основные допущения, принятые в модели: 1. Для формирования профиля поверхности засыпи за цикл загрузки в качестве исходного принимается ровный профиль поверхности засыпи. Построение реального профиля поверхности засыпи за цикл загрузки происходит за счет 4–х кратного повторения процесса построения профи- ля поверхности засыпи, так как принято, что профиль стабилизируется на 3–м – 4–м повторении. 2. Принимается, что за время выгрузки одной порции не происходит существенного схода шихтовых материалов. 3. После окончания выгрузки, слой материала опускается до уровня засыпи, достижение которого определяется расстоянием поверхности ма- териала в периферийной зоне от технологического нуля. 4. Расчет траекторий движения шихтовых материалов в колошнико- вом пространстве выполняется с учетом заданных дутьевых параметров. 5. Скорость материала в точке его падения на лоток принимается ну- левой. 98 6. Не ведется расчет траекторий полета материала в колошниковом пространстве при пересыпании его через борт лотка, а выдается лишь ди- агностическое сообщение. 7. Процесс перераспределения кокса происходит при выгрузке желе- зосодержащих материалов на кокс при достижении углом откоса профиля критических значений. Структурная схема модели приведена на рис. 3. Рис.3. Структурная схема модели радиального распределения шихты 1 Входные данные: программа загрузки, уровень засыпи, ско- рость схода шихты 3 Цикл загрузки печи (№ порции, вид материала) 4 Расчет радиусов границ и сере- дин равновеликих зон 9 Движение материала в колошни- ковом пространстве и встреча с поверхностью засыпи и стенкой печи (R, H) 2 Параметры модели: ДП, БЗУ, шихты 14 Опускание слоев мате- риалов в печи 16 Выходные данные: рас- пределение масс, объемов и рудных нагрузок в кольце- вых зонах колошника 8 Вычисление характеристик движения материала по распреде- лителю 10 Распределение материала на поверхности засыпи, обрушение поверхности кокса, формирование профиля поверхности засыпи 5 Выгрузка порции по числу по- зиций распределителя 15 Конец цикла загрузки 7 Вычисление характеристик движения материала по распреде- лителю V0, Z 12 Конец выгрузки по числу позиций 6 Выгрузка порции по числу обо- ротов распределителя 11 Конец выгрузки по числу оборотов 99 Результаты моделирования представлены на рис.4 (а, б). Рис. 4. Модельное распределение материалов по радиусу колошника доменной печи: а) ДП–5 ОАО «Северсталь»; б) ДП–9 ОАО КГМК «Криворожсталь». Программы загрузки: позиции лотка № про- грам мы Ур. зас № пор- ции мате- риал 9 8 7 6 5 4 3 2 1 1 кокс – 6,00 6,00 6,00 6,00 8,50 – – – 2 агло ме- рат 25,00 25,00 24,00 22,00 19,00 15,00 – – – а) 1,3 м РН 8,33 4,0 3,67 3,17 1,76 – – – 1 кокс – 4,29 4,76 4,33 5,03 4,78 – – – 2 агло ме- рат 12,78 14,80 15,40 14,71 15,25 17,69 16,73 – – 3 кокс – – – – – – 7,14 7,37 5,93 4 агло ме- рат 21,12 28,64 29,15 16,98 – – – – – 5 кокс – 6,06 5,82 6,42 5,00 – – – – 6 агло ме- рат 13,15 14,63 15,11 15,45 17,86 15,39 16,73 – – 7 кокс – – – – – – 7,25 7,4 8,83 8 кокс – 4,16 4,66 4,19 4,25 3,8 – – – 9 агло ме- рат – 20,4 21,73 25,21 22,07 20,92 – – – б) 1,2 м РН 8,65 5,34 4,84 3,86 6,29 0,64 а) б) – железосодержащие материалы; Условные обозначения: – кокс; – исходный профиль. 100 Разработанная в ИЧМ математическая модель применяется для расче- та распределения шихтовых материалов на колошнике доменной печи для типовых программ загрузки ДП–5 ОАО «Северсталь» и ДП–9 АО КГМК «Криворожсталь». Для проверки адекватности моделирования была про- ведена корреляция распределения рудных нагрузок по радиусу колошника доменной печи с распределением измеренного содержания СО2 в колош- никовом газе. В результате такой проверки, проведенной в ИЧМ при ана- лизе результатов моделирования, получено, что для программ загрузки, типичных для комбината ОАО «Северсталь» коэффициент корреляции составил в среднем 0,8, тогда как для программ загрузки, типичных для «Криворожстали» – всего 0,65. Такой разбег коэффициентов корреляции обусловлен изменением распределения СО2 по радиусу печи при выгрузке различных порций материала в рамках сложной программы цикла загруз- ки, что подтверждают исследования, проведенные ИЧМ на «Криворож- стали». В этих исследованиях производились замеры состава колошнико- вого газа через короткие интервалы времени. В результате измерений бы- ло установлено, что содержание СО2 в колошниковом газе существенно изменяется после выгрузки очередной порции материалов. Заключение. Моделирование распределения шихты на колошнике является неотъемлемой частью инструментария для исследования движе- ния газов, химических реакций и теплообмена, параметров зоны плавле- ния. Современные модели используются для выбора рациональных режи- мов работы печи с целью достижения максимальной производительности при минимальном расходе кокса и увеличения длительности межремонт- ных периодов. Математическое моделирование распределения шихтовых материалов по радиусу колошника необходимо для определения структуры столба шихты в шахте доменной печи, и его изменений при различных режимах работы, расчета толщины слоев и распределения частиц в слое по виду материала и по крупности, распределения рудных нагрузок и порозности слоя по радиусу и окружности колошника. Цель моделирования – иссле- дование процессов загрузки шихты, оценка различных технических реше- ний, совершенствование управления ходом печей и математических мо- делей. Модели и получаемые с их помощью результаты должны трансфор- мироваться для решения различных технических задач на печах разного объемас использованием различных конструкций системы загрузки. Мо- дели радиального распределения такого назначения должны принадле- жать к классу исследовательских моделей. Модели, предназначенные для работы в составе АСУТП доменной печи, необходимо выполнить в ком- бинации с профилемерами, они должны включать моделирование процес- са плавки и определять оптимальные управляющие воздействия с исполь- зованием методов искусственного интеллекта. 101 1. Методика расчета параметров схода шихты с распределительного лотка /В.И.Большаков, А.Ю.Зарембо, А.С.Сало // Вопросы производства чугуна в доменных печах/МЧМ СССР (ИЧМ). – М.: Металлургия, 1984. – С.60–64. 2. Влияние на симметрию распределения материалов в доменной печи при при- менении засыпного аппарата с вращающимся желобом / Л.Кройц, Х.В.Гуде- нау, Н. Штандиш // Черные металлы. – 1991. – №3. – С.26–32. 3. Большаков В.И. Теория и практика загрузки доменных печей. – М.: Метал- лугрния, 1990. – 256 с. 4. Контроль распределения шихты на колошнике и в шахте доменной печи / А.А.Гришкова, М.М.Френкель, Т.М.Новикова, В.И.Большаков и др.// Пробле- мы автоматизированного управления доменным производством. ЦНИИТЭИ приборостроения. – ТС–12, вып. 6. – М. – 1983. – С. 48–49. 5. Результаты внедрения алгоритма «Траектория» в составе АСУ загрузки до- менной печи / В.И.Большаков, А.Ю.Зарембо, А.А.Гришкова // Автоматизация технологических процессов и управления производством в черной металлур- гии. МЧМ СССР. – М.:Металлургия, 1987. – С. 30–33 6. Vyušiti matematickeho modelu pchybu vsáskových surovin v bessvonové sasebně./ B.Krček , L.Broš ⁄⁄ Hutnické liety. – 1978. – V.33. – №7. – Р.466–471. 7. Влияние газового потока на распределение шихты на колошнике доменной печи и их взаимодействие// Тецу–то–хагане. – 1978. – Т.78, № 4. – С. 29–31. 8. Разработка математических моделей для оценки распределения шихты в ус- ловиях безконусной загрузки в доменной печи/ Е.Окуно, С.Маудзаки, К.Кунимото, М.Исояма и др.// Тецу–то–хагане. – 1987. –Т 73, №1. – С. 91–98. 9. Развитие математической модели распределения под действием нагрузки с разрушением слоя кокса/ Е.Камисака, Е.Окуно, Т.Ирита, С.Маудзаки, Т.Исоя- ма, К.Кунимото// Transaction ISIJ. – Vol.24. – 1984. – Р.327. 10. Влияние явления обрушения слоя кокса на распределение шихты на колошни- ке доменной печи/ Е.Окуно, К.Кунимото, Т.Ирита, С.Маудзаки // Перевод №29/87 по журналу «Тецу–то–хагане». – 1986. – V.72, №7. – С.75–82. 11. Modelowanie rozkladu wsadu w gardzieli wielkiego pieca/ L. Król, W. Żymła // HUNTIK. – 1979. – №11. –Р.437–440, 12. Application of Simulation model for burden distribution to actual operations/ Y.Kajiwara, T.Jimbo, A.Kometani, Y.Shimoda// Transaction ISIJ. – 1984. – V.24, №5. –Р.379–386 13. A blast furnace model to optimize the burden distribution/ G.Danloy, J.Mignon, R.Munnix, G.Dauwels, L.Bonte// Ironmaking conference processing. – 2001. –Р.37– 48 14. Калинин А. П. Математические модели движения шихты и ее распределения на колошнике доменной печи// Ит–т «Черметинформация», (обзорн. информ., сер.: Подготовка сырьевых материалов к металлургическому переделу в про- изводство чугуна). – М., 1990. – Вып.4. –С.1–32. 15. Траектории движения шихты в колошниковом пространстве современной доменной печи/ В.И.Большаков, А.Ю.Зарембо // Черная металлургия. Бюл. ин– та Черметинформация. – 1985. – Вып.20. – С.35–37. 16. Автоматизированный выбор режима загрузки доменной печи с загрузочным устройством/ А.К.Тараканов, Н.Ш.Гринштейн, М.Н.Байрака, И.Е.Почекайло, А.Г.Ульянов, В.И.Большаков// Сталь. – 1986. – №5. – С. 11–16. Статья рекомендована к печати к.т.н. Н.М.Можаренко
id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-21059
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn	XXXX-0070
language	Russian
last_indexed	2025-12-07T18:05:16Z
publishDate	2004
publisher	Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України
record_format	dspace
spelling	Большаков, В.И. Муравьева, И.Г. Белошапка, Е.А. Варивода, И.Е. 2011-06-14T19:33:06Z 2011-06-14T19:33:06Z 2004 Математические модели радиального распределения шихты в доменных печах / В.И. Большаков, И.Г. Муравьева, Е.А. Белошапка, И.Е. Варивода // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. научн. тр. — Дніпропетровськ.: ІЧМ НАН України, 2004. — Вип. 8. — С. 85-101. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. XXXX-0070 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/21059 Приведен обзор существующих отечественных и зарубежных математических моделей радиального распределения шихты при использовании бесконусного загрузочного устройства. ru Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии Производство чугуна Математические модели радиального распределения шихты в доменных печах Article published earlier
spellingShingle	Математические модели радиального распределения шихты в доменных печах Большаков, В.И. Муравьева, И.Г. Белошапка, Е.А. Варивода, И.Е. Производство чугуна
title	Математические модели радиального распределения шихты в доменных печах
title_full	Математические модели радиального распределения шихты в доменных печах
title_fullStr	Математические модели радиального распределения шихты в доменных печах
title_full_unstemmed	Математические модели радиального распределения шихты в доменных печах
title_short	Математические модели радиального распределения шихты в доменных печах
title_sort	математические модели радиального распределения шихты в доменных печах
topic	Производство чугуна
topic_facet	Производство чугуна
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/21059
work_keys_str_mv	AT bolʹšakovvi matematičeskiemodeliradialʹnogoraspredeleniâšihtyvdomennyhpečah AT muravʹevaig matematičeskiemodeliradialʹnogoraspredeleniâšihtyvdomennyhpečah AT belošapkaea matematičeskiemodeliradialʹnogoraspredeleniâšihtyvdomennyhpečah AT varivodaie matematičeskiemodeliradialʹnogoraspredeleniâšihtyvdomennyhpečah

Математические модели радиального распределения шихты в доменных печах

Репозитарії

Схожі ресурси