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....

Повний опис

Збережено в:
Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии
Дата:2008
Автор: Тарасов, В.П.
Формат: Стаття
Мова:Російська
Опубліковано: Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України 2008
Теми:
Онлайн доступ:https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/22270
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: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.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
_version_ 1859470235558477824
author Тарасов, В.П.
author_facet Тарасов, В.П.
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.
collection DSpace DC
container_title 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.
first_indexed 2025-11-24T07:15:00Z
format Article
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)
id nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-22270
institution Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
issn XXXX-0070
language Russian
last_indexed 2025-11-24T07:15:00Z
publishDate 2008
publisher Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України
record_format dspace
spelling Тарасов, В.П.
2011-06-20T22:51:34Z
2011-06-20T22:51:34Z
2008
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
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.
ru
Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України
Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии
Приветствия
Газопроницаемость и теплообменные процессы по окружности и радиусы доменной печи
Article
published earlier
spellingShingle Газопроницаемость и теплообменные процессы по окружности и радиусы доменной печи
Тарасов, В.П.
Приветствия
title 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_short Газопроницаемость и теплообменные процессы по окружности и радиусы доменной печи
title_sort газопроницаемость и теплообменные процессы по окружности и радиусы доменной печи
topic Приветствия
topic_facet Приветствия
url https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/22270
work_keys_str_mv AT tarasovvp gazopronicaemostʹiteploobmennyeprocessypookružnostiiradiusydomennoipeči