Газопроницаемость и теплообменные процессы по окружности и радиусы доменной печи

Основной трудностью при определении рудных нагрузок (РН) по радиусу печи является отсутствие значения угла наклона поверхности засыпи. Показано, что при значениях углов наклона поверхности засыпи в пределах 20–28º можно применять представленные автором формулы в широком диапазоне доменной плавки....

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:
Bibliographische Detailangaben
Datum:2008
1. Verfasser: Тарасов, В.П.
Format: Artikel
Sprache:Russian
Veröffentlicht: Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України 2008
Schriftenreihe:Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии
Schlagworte:
Online Zugang:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/22270
Tags: Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:Газопроницаемость и теплообменные процессы по окружности и радиусы доменной печи / В.П. Тарасов // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. научн. тр. — Дніпропетровськ.: ІЧМ НАН України, 2008. — Вип. 16. — С. 167-176. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-22270
record_format dspace
spelling nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-222702025-02-23T18:19:03Z Газопроницаемость и теплообменные процессы по окружности и радиусы доменной печи Тарасов, В.П. Приветствия Основной трудностью при определении рудных нагрузок (РН) по радиусу печи является отсутствие значения угла наклона поверхности засыпи. Показано, что при значениях углов наклона поверхности засыпи в пределах 20–28º можно применять представленные автором формулы в широком диапазоне доменной плавки. 2008 Article Газопроницаемость и теплообменные процессы по окружности и радиусы доменной печи / В.П. Тарасов // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. научн. тр. — Дніпропетровськ.: ІЧМ НАН України, 2008. — Вип. 16. — С. 167-176. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. XXXX-0070 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/22270 669.162.2 ru Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии application/pdf Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection DSpace DC
language Russian
topic Приветствия
Приветствия
spellingShingle Приветствия
Приветствия
Тарасов, В.П.
Газопроницаемость и теплообменные процессы по окружности и радиусы доменной печи
Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии
description Основной трудностью при определении рудных нагрузок (РН) по радиусу печи является отсутствие значения угла наклона поверхности засыпи. Показано, что при значениях углов наклона поверхности засыпи в пределах 20–28º можно применять представленные автором формулы в широком диапазоне доменной плавки.
format Article
author Тарасов, В.П.
author_facet Тарасов, В.П.
author_sort Тарасов, В.П.
title Газопроницаемость и теплообменные процессы по окружности и радиусы доменной печи
title_short Газопроницаемость и теплообменные процессы по окружности и радиусы доменной печи
title_full Газопроницаемость и теплообменные процессы по окружности и радиусы доменной печи
title_fullStr Газопроницаемость и теплообменные процессы по окружности и радиусы доменной печи
title_full_unstemmed Газопроницаемость и теплообменные процессы по окружности и радиусы доменной печи
title_sort газопроницаемость и теплообменные процессы по окружности и радиусы доменной печи
publisher Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України
publishDate 2008
topic_facet Приветствия
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/22270
citation_txt Газопроницаемость и теплообменные процессы по окружности и радиусы доменной печи / В.П. Тарасов // Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии: Сб. научн. тр. — Дніпропетровськ.: ІЧМ НАН України, 2008. — Вип. 16. — С. 167-176. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
series Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии
work_keys_str_mv AT tarasovvp gazopronicaemostʹiteploobmennyeprocessypookružnostiiradiusydomennojpeči
first_indexed 2025-11-24T07:15:00Z
last_indexed 2025-11-24T07:15:00Z
_version_ 1849655034238730240
fulltext 167 УДК 669.162.2 В.П.Тарасов ГАЗОПРОНИЦАЕМОСТЬ И ТЕПЛООБМЕННЫЕ ПРОЦЕССЫ ПО ОКРУЖНОСТИ И РАДИУСУ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ. Приазовский государственный технический университет Основной трудностью при определении рудных нагрузок (РН) по радиусу пе- чи является отсутствие значения угла наклона поверхности засыпи. Показано, что при значениях углов наклона поверхности засыпи в пределах 20–28º можно при- менять представленные автором формулы в широком диапазоне доменной плавки Газопроницаемость столба шихтовых материалов по окружности и радиусу доменной печи определяет соответствующее движение печных газов, а следовательно, и равномерность хода доменной печи. Известно, что от качества распределения шихты и газов зависит соотношение кос- венных и прямых реакций восстановления оксидов железа и других ме- таллов. При косвенном восстановлении (газовыми восстановителями СО и Н2) энергетические затраты значительно ниже, по сравнению с прямым восстановлением (твердым углеродом). Так, например, восстановление Fe2O3 монооксидом углерода (СО) до металлического железа сопровожда- ется выделением около 20 МДж тепла на каждую молекулу Fe2O3. При прямом восстановлении монооксида железа (FeO) до металлического же- леза (Fe2O3 и Fe3O4 и частично FeO в доменной печи всегда восстанавли- ваются косвенным путем) затрачивается тепло: FeO + C = Fe + CO – 159,33 МДж. На восстановление FeO косвенным путем водородом затрачивается небольшое количество тепла: FeO + nH2 ↔ Fe + (n–1)H2 + H2O – 27,8 МДж. Поскольку основное косвенное восстановление происходит за счет монооксида углерода, а на долю водорода приходится менее шестой части от общего количества FeO, восстановленного косвенным путем, то итого- вый баланс тепла при этом будет положительным. Таким образом, затрата дорогостоящего кокса в доменной плавке тем меньше, чем больше моно- оксида железа восстанавливается косвенным путем. Для этого необходи- мо, чтобы шихта и газы по окружности печи распределялись равномерно, а по радиусу с оптимальной неравномерностью. Это объясняется тем, что дутье в печь подводится по периферии, где расположены воздушные фурмы. Сгорание углерода кокса происходит в окислительной зоне, длина которой составляет 800–1000 мм при комбинированном и 1200–1600 мм при вдувании воздуха. Температура в фокусе горения достигает максимума 2000–23000С, а у оси печи 1350–14000С, то есть в осевой зоне недостаточно тепла для вос- становления здесь оксидов железа и нагрева продуктов плавки до их тем- пературы в горне. Практика доменной плавки показала, что в осевой зоне 168 поток газов должен составлять не менее 8% от общей их массы на площа- ди диаметром 1,0–3,0 м в зависимости от объема печи (~ 4 % от ΣF ). Умеренно развитый поток газов должен быть и в периферийной зоне, ко- торая составляет большую поперечную площадь и от ее проницаемости во многом зависит производительность печи. В промежуточной зоне мень- ший поток газов и более низкая температура по всей высоте печи. Только при таком распределении потоков газа по радиусу достигается ровный сход шихты, более низкий расход кокса и большая производительность. Распределение газов по окружности и радиусу печи во многом зави- сит от газопроницаемости шихтовых материалов, которая в свою очередь определяется гранулометрическим составом шихты. Многолетние и раз- носторонние наши исследования в данной области [1,2,3 и др.] позволили определить зависимость газопроницаемости от соотношения крупных и мелких фракций агломерата и окатышей при загрузке печей загрузочными устройствами (ЗУ) типовой конструкции. По окружности печи масса мелочи в гребне и откосе шихты определя- ет газовые потоки и находится по формуле: ( )[ ] τ τ m fmn С − = 2 , (1) где С – масса мелочи в гребне (Сгр.) или откосе (Сотк.), доля от общей массы шихты в гребне или откосе; n – содержание мелочи в гребне (nгр.) или откосе (nотк..), доля от общей массы мелочи; m – общее содержание мелочи в загружаемой шихте, доля от общей массы шихты; τ – количе- ство шихты в гребне (τ гр.) или откосе ( τ отк.), доля от общей массы шихты. Установили[1, 2], что количество мелочи и общей массы агломерата в гребне (nгр., τ гр.) или откосе (nотк., τ отк..) в свою очередь, также зависят от общей массы мелочи (m) и определяются эмпирическими уравнениями: Для гребня: Для откоса: mгрn 71,0066,0. += ; (2) mоткn 86,071,0. −= ; (4) 278,0264,0. += mгрτ ; (3) mотк 378,0471,0. −=τ . (5) Значительная разница в распределении крупных кусков и мелких час- тиц шихты по окружности (гребень, откос) предопределяет и значитель- ное различие эквивалентных диаметров (dЭ) и коэффициентов сопротив- ления (Ψ ), которые находят из формул: Для гребня: Для откоса: ( )01,0 4,2. − = m гр Эd ; (6) m отк Эd 05,1. = ; (8) 169 ( )( )mФгр 73,06,05,04,2. +−=Ψ ; (7) ( ) ⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ − +−=Ψ m mФ отк 32 55,0 25,2 2 52,2. , (9) где Ф – фактор формы. Определив n и τ гребня и откоса по формулам (2) ÷ (5) находим там количество мелочи Сгр. и Сотк.. Насыпной вес агломерата фракции 5–0 мм 1,9–2,1 т/м3, тогда объемный вес мелочи в гребне Сгр/2,0 м3 и в откосе Сотк/2,0 м3. Известно [1,2,3], что порозность зернистого слоя εс зависит от объемной доли мелочи (W) и находится по формуле: ⎪⎭ ⎪ ⎬ ⎫ ⎪⎩ ⎪ ⎨ ⎧ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ ⎟⎟ ⎠ ⎞ ⎜⎜ ⎝ ⎛ −+•−= 07,0 к м12,21,83arcctgmaxεε d d wС , (10) где εmax – максимальная порозность шихты, которая измеряется в пре- делах 0,51–0,52, м3/м3; dм и dк – соответственно диаметры самых мелких и крупных частиц слоя, м. Газопроницаемость шихты является обратной величиной потери на- пора в слое (ΔР, Па), который находится по формуле [1–5 и др.]: ( ) 3 Э г 2 0 ε2 ε1 d НUР −Ψ=Δ ρ , (11) где Н – высота слоя, м; U0 – скорость газового потока на полную пло- щадь, м/с; dЭ – эквивалентный диаметр поровых каналов, примерно, рав- ный эквивалентному диаметру частиц слоя (dэ.ч.), м; ρг – плотность печно- го газа, кг/м3. Все входящие величины в формулу (11) находятся по формулам (1)÷(10), а FQU =0 , где Q – объем газа, м3/с; F – площадь слоя – также находятся для соответствующих условий (гребень, откос, промежуточные зоны). выполненные нами расчеты для доменной печи полезным объемом 2002 м3, диаметром колошника 7,3 м с суточным производством 4000 т/сутки и выходом печных газов 5250 м3/мин показали, что со стороны гребня проходит газ 2132 м3/мин со скоростью 2,27 м/с; со стороны откоса 1848 м3/мин со скоростью 1,97 м/с и в промежуточной зонах между греб- нем и откосом 1270 м3/мин со скоростью 2,02 м/с. Суммарный объемный коэффициент теплопередачи в слое доменной шихты (αV, Вт/м3·град.) определили из уравнения [2]: ( ) ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎣ ⎡ − = Э ε15,7 αα dFV , (12) 170 где αF – поверхностный коэффициент теплопередачи, Вт/м2·град, за- висит от числа Nu Э/Гλα dNuF = , (13) где λГ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К). В свою очередь число Nu по данным [6] равно: 67,0Re61,0=Nu ; (14), ε/Э0Re νdU= (15) где ν – кинематическая вязкость газа, м2/с, которая равна гρην = ; ρг – плотность газа, кг/м3. Подставив в формулу (12) значения Nu и Re, находим6 ( ) ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ = 67,0εэ 67,0 гρ0β61,0α d ЭdU F (16) где ;0,67 гηгλβ = iViV iT Σ= ⎟ ⎠ ⎞⎜ ⎝ ⎛λΣгλ (17) где iTλ – коэффициент теплопроводности i–того шихтового материа- ла (кокса, агломерата, окатышей, добавок), Вт/м*град.; Vi – объем i–того материала, м3; iVΣ – суммарный объем слоя шихты, м3. Для наших условий (ДП 2002 м3) расчеты показали: ( );Км ВВт227α 2гр F ⋅= ( );Км ВВт210α 2отк F ⋅= ( ).К2м ВВт217пр.з. Fα ⋅= При известном числе Нуссельта (Nu) коэффициент массопередачи (β ) можно рассчитать по формуле: ( ) , Э 3 1 β ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛= d D D aNu (18) где а – температуропроводность, м2/с; D – коэффициент диффузии газа в пограничном слое, м2/с. Из формулы (18) с учетом nСNu Re/= следует: ( )( ) ,3 1 /α1/β Dn эdpDnUс −= (19) где ;/2м ,ρр λα с гс г= ср – удельная теплоемкость при постоянном давлении, кДж/(м2*с). 171 Для агломерата, руды и окатышей n = 0,7, с/ = 0,3 и при обозначении постоянных и малоизменяющихся величин в формуле (19) через С// = С/D0,67 коэффициент массопередачи равен: ,3,0/7,0// эdUС=β (20) где U – фактическая скорость газа, м/с. Следовательно, массообмен в доменной печи и других шахтных печах является зависимым от 3,0 7,0 эd U . Поскольку не было эксперименталь- ных данных по определению С//, то расчеты массообмена в доменной печи не рассчитывали. Определение газовых потоков и потерь их напора по радиусу домен- ной печи провели для тех же условий, что и по окружности печи. Следо- вательно, объем агломерата 13,69 м3, кокса 14 м3. Общий объем подачи 13,69 + 14 = 27,69 м3. Объем мелочи (32,5 %) 4,04 м3 или в долях 0,146. Тогда для 146,0=Σm порозность свободно насыпанного слоя будет рав- на 0,42 м3/м3 рис.1 и при загрузке с конуса: ( ) ,423,04,006,142,09,0ε =+⋅=Σ тк где т = 0,146 объемная доля мелочи. Для прямых подач порозность в периферийной, промежуточной и центральной зонах, равных по площади, определяли по формулам: ,034,09,01,0 ;217,0146,057,0146,057,157,057,1 ;183,0146,03,0146,03,13,03,1 2 .. 22 .. 22 . =+= =⋅−⋅=−= =⋅−⋅=−= ΣΣ ↓ ΣΣ ↓ ΣΣ ↓ ттm ттm ттm ААКК зц ААКК зпр ААКК пер Тогда порозность свободно насыпанного слоя для объемной доли ме- лочи 0,183 составит 40,0пер. сε = и для 0,217 – 0,38пр.з. сε = ; для 0,034 – 0,48ц.з. сε = . При загрузке прямых подач с конуса ( ) ;41,0183,04,006,14,09,0. =⋅+⋅= ↓ААКК к перε 39,0.. = ↓ААКК к зпрε ; 46,0.. = ↓ААКК к зцε Соответственно для подач коксом вперед объемные доли мелочи в 3х зонах составят по формуле, доли: 172 .037,08,014,0 ;271,096,02 ;128,004,06,0 222 222 222 .. 2 .. . =+= =−= =+= Σ ↓↓ ΣΣ ↓↓ Σ ↓↓ тт ттт тт АКККА с зц АКККА с зпр АКККА с пер Для указанных значений ↓↓↓↓↓↓ ККААК зцm ККААК зпрm ККААК перm 222 ..; 222 ..; 222 . , соответствующих доле мелочи в периферийной, промежуточной и центральной зонах колошника, но свободно засыпанной шихты, пороз- ность слоя составит: .47,0 ;365,0 ;43,0 222222222 ..... === ↓↓↓↓↓↓ АКККА с зц АКККА с зпр АКККА с пер εεε При загрузке с конуса подач коксом вперед порозность составит [1,2,7], м3/м3: ( ) ( ) ( ) .46,0037,04,006,147,09,0 ;38,0271,04,006,1365,09,0 ;43,0128,043,006,143,09,0 222 222 222 .. .. . =⋅+⋅= =⋅+⋅= =⋅+⋅= ↓↓ ↓↓ ↓↓ АКККА к зц АКККА к зпр АКККА к пер ε ε ε Распределение газовых потоков газопроницаемость обратно пропор- циональна РΔ и аналогично симплексу ( )ε1 3ε − [1–5]. Для прямых по- дач Vг в трех радиальных зонах при выходе газа 5250 м3/мин (ДП Vпол = 2002 м3) составляет: % м3/мин U0, м/с ( ) 117,041,01341,0. =−=пер гV 29,7 1559 1559/13,91·60 = 1,87 ( ) 097,039,01339,0.. =−=зпр гV 24,6 1292 1292/13,9·60 = 1,55 ( ) 180,046,0146,0 3.. =−=зц гV 45,7 2399 2399/139·60 = 2,88 Итого: 0,39 100,0 5250 5250/41,81·60=2,09 Для подач коксом вперед газовые потоки составят соответственно: 173 м/с. 09,2 Uи /ммим 5250 Итого м/с; 2,78 Uи /ммим 2315 м/с; 1,37 Uи /ммим 1145 м/с; 2,15 Uи /ммим 1700 0 3 0 3.. 0 3.. 0 3. = == == == зц г зпр г пер г V V V По формулам (12) – (17) определили поверхностный коэффициент те- плопередачи FΣα для радиальных зон периферийной, промежуточной и центральной при загрузке прямых подач [2, 7]: К) ВВт/(404 К); ВВт/(363 К); ВВт/(414 2.. 2.. 2. ⋅= ⋅= ⋅= Σ Σ Σ зц F зпр F пер F α α α При загрузке обратных подач: К)Вт/(м 422 К);Вт/(м 344 К);Вт/(м 412 2.. 2.. 2. ⋅= ⋅= ⋅= Σ Σ Σ зц F зпр F пер F α α α Во время определения поверхностного коэффициента теплопередачи эквивалентный диаметр поровых каналов считали примерно равным эквивалентному диаметру частиц слоя dэ.ч., м: ( )∑ = = n i iсрi чэ dV d 1 .. .. 1 , (21) где Vi – объемная доля i–той фракции; di – средний диаметр частиц i– той фракции, м. Зная поверхностные коэффициенты теплопередачи по окружности и радиусу доменной печи можно определить объемные коэффициенты теплопередачи vα по известной формуле: ( )[ ] град)3 ВВт/(,э|ε15,7αα ⋅−= dFv , (22) а затем и удельные тепловые потоки q, Вт/м2; ( )шtгtVq −Σ= α , (23) где tг – температура газа, 0С; tш – температура шихты, 0С. Неравномерное распределение по окружности и радиусу доменной печи шихтовых материалов и печных газов приведет к такому же нерав- 174 номерному теплообмену между ними. Суммарный коэффициент теплопе- редачи увеличивается с уменьшением эквивалентных частиц слоя, то есть с увеличением доли мелочи (0–3 мм). Изменение теплообмена в слое шихты по горизонтальным и верти- кальным сечениям печи адекватно симплексу ( ) 3/εε1− . Поэтому для оп- ределения поверхностного или объемного коэффициента теплообмена достаточно знать гранулометрический состав шихтовых материалов, по которому определяются объемная доля мелочи, порозность слоя и скоро- сти газовых потоков по окружности и радиусу доменной печи. Рис.1. Изменение по- розности и коэффици- ента сопротивления в зависимости от доли мелочи m(а), а также показано измельчение агломерата в шахте ДП4 Муроран Яп. (б)% 1 – изменение порозно- сти; 2 – коэффициент сопротивления; 3 – гра- нулометрический со- став загружаемого аг- ломерата; 4,5,6 – соот- ветственно на расстоя- нии от поверхности за- сыпи на 4,2; 8,6 и 13 м. Кроме того, можно судить о ра- диальном распреде- лении газовых пото- ков по рудным нагрузкам (РН) [2, 5]. При этом учитывается с достаточной точностью и достоверностью величина РН в зависимости от уровня засы- пи и угла наклона поверхности шихты на колошнике доменной печи. При загрузке прямыми подачами РН в периферийной зоне (Nп, т/т) в условиях угла наклона поверхности засыпи 20–32º и уровне 0,5–3,0м составит: ( )( ).α21044,26,133,2з69,0 32α22 п −⋅−+= °〈↓ h КА N (24) В центральной зоне (Nц, т/т): 175 ( )( ),25,0α2103,44з86,019,4 032α22 ц −−⋅−= 〈↓ h КА N (25) где h – уровень засыпи, м; α – угол наклона поверхности шихты, град. При загрузке шихты обратными подачами в периферийной и цен- тральной зонах рудная нагрузка составит: ( )( ).α03,07,1з68,052,0 32α22 п −+= 〈↓ Ο° h АК N (26) ( )( ).975,0α3106,5з92,032,5 32α22 ц −−⋅−= 〈↓ Ο h АК N (27) Для загрузки подач одним коксом вперед РН в указанных зонах составляет: ( )( ),α03,07,1з68,052,0 32α2 п −+= 〈↓ Ο h ККА N то есть как и в случае загрузки обратных подач, а в центральной зоне: ( )( )53,0α31025,11з52,002,5 32α2 ц.з. +−⋅+= 〈↓ Ο h ККА N (28) Таким образом, по формулам (24)÷ (28) можно определить величину рудной составляющей для периферии и центра печи в зависимости от уровня засыпи и наклона ее поверхности во время загрузки шихты пря- мыми подачами и коксом вперед. Независимо от угла наклона поверхности засыпи шихты на колошнике доменной печи масса рудной составляющей подачи в промежуточной зоне мало меняется и на 12–14 % выше суммарной рудной нагрузки. Основной трудностью при определении РН по радиусу печи по ука- занным формулам (24)÷ (28) является отсутствие значения угла наклона поверхности засыпи. Однако его значение для определенных условий ме- няется обычно в пределах 20–28 0, что позволяет применять формулы (24)÷ (28) в широком диапазоне доменной плавки. 1. Тарасов В.П. Газодинамика доменного процесса.– 2е изд. перер. и доп.– М.: Металлургия.– 1990.– 216 с. 2. Тарасов В.П., Тарасов П.В. Теория и технология доменной плавки.– М.: Ин- термет Инжиниринг, 2007.– 384 с. 3. Тарасов В.П. Потери напора по сечению печи в реальных условиях доменной плавки // Сталь.– 1979.– №1. – С.11–12. 176 4. Богданди П.Ф., Энгель Г.Ю. Восстановление железных руд/ Перев. с нем.– М.: Металлургия, 1971.– 520 с. 5. Большаков В.И. Теория и практика загрузки доменных печей. – М.: Металлур- гия.–1990.–256 с. 6. Доменное производство: Справочное издание: В 2–х т. Т. 1. Подготовка руд и доменный процесс / Под ред. Вегмана Е.Ф. –М.: Металлургия, 1989. – 496 с. 7. Тарасов В.П., Тарасов П.В. Массо– и теплообменные процессы по радиусу доменной печи // Бюллетень Черметинформация. – №6. –2007. – С.21–24. Сведения об авторе: Тарасов Владимир Петрович, докт.техн.наук, профессор, Приазовский государ- ственный технический университет ( г.Мариуполь)