Динамика движения и нагрева дисперсных железографитовых отходов в гравитационно-падающем слое Текст научной статьи по специальности «Физика»

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2006 р. Вип.№16

УДК 669.054.8

Маслов В.А.1, Трофимова Л.А.2, Дан Л.А.3

ДИНАМИКА ДВИЖЕНИЯ И НАГРЕВА ДИСПЕРСНЫХ ЖЕЛЕЗОГРАФИТОВЫХ ОТХОДОВ В ГРАВИТАЦИОННО-ПАДАЮЩЕМ СЛОЕ

Выполнен расчет динамики движения и нагрева оксидных частиц железографи-товых отходов в гравитационно-падающем слое. На основании расчета даны рекомендации по выбору геометрических параметров опытно-промышленного реактора восстановления ЖГО в гравитационно-падающем слое

Восстановительная обработка дисперсных железографитовых отходов (ЖГО) металлургического производства позволяет получить материал с уникальным комплексом электрофизических свойств [1].

Кинетику магнетизирующего обжига и карботермического восстановления ЖГО определяет температура в реакторе. Проведенные ранее нами исследования [2, 3, 4] показали, что плотный неподвижный и движущийся слои обрабатываемого материала обеспечивают необходимые условия для протекания в нем рассматриваемых процессов. Вместе с тем, получение положительных результатов связано с длительным периодом времени обработки [4]. Звеном, лимитирующим производительность реактора, является скорость нагрева обрабатываемого материала до рабочей температуры. Плотный слой ЖГО, отождествляемый с квазимонолитным телом [5], имеет низкую теплопроводность, а, следовательно, прогревается достаточно медленно. Поэтому реактор для обработки ЖГО в плотном движущемся слое может иметь нерационально большие размеры.

С другой стороны, известны работы [6, 7 и др.], показывающие возможность восстановления поверхностных пленок оксидов на дисперсных частицах при их движении в режиме гра-витационно-падающего слоя. Нагрев и сам процесс восстановления протекают в течение долей секунды.

Можно предположить, что комбинация гравитационно-падающего слоя для нагрева материала до температуры обработки и плотного движущегося слоя для ее осуществления позволит существенно сократить общее время обработки и уменьшить размеры реактора.

Целью настоящей работы было создание комплексной математической модели движения и нагрева дисперсных частиц в гравитационно-падающем слое. Результаты расчета позволят определить оптимальные геометрические параметры реактора.

Особенность гравитационно-падающего слоя состоит в том, что частицы находятся в разобщенном, независимом друг от друга состоянии и движутся только под действием силы тяжести. При выполнении этого условия движение, нагрев, химические и структурные превращения частиц равноценны. При этом частицы разгоняются до скорости равной или близкой к скорости витания относительно газа - реагента. Нагрев и все превращения, таким образом, осуществляются в процессе падения частиц.

Исходя из предварительных морфологических исследований [9] было установлено, что оксидные частицы имеют форму близкую к сферической, а графитовые - являются плоскими. При этом отношение среднемедианного размера графитовой частицы к ее толщине составляет 12 - 20, что приводит к очень большой парусности графита и низкой скорости витания. С другой стороны плотность оксидов железа составляет 5000 - 5200 кг/м3, а плотность графитовых частиц в ЖГО - 2000 - 2200 кг/м3. Все это позволяет сделать вывод о том, что определяющими как по динамике движения, так и по динамике нагрева в гравитационно-падающем слое будут

1 ГТГТУ, д-р техн. наук, проф.

2 ПГТУ, асс.

3 ПГТУ, канд. техн. наук, доцент

оксидные частицы. Поэтому б дальнейшем модель движения и нагрева была рассмотрена применительно к оксидным частицам, как лимитирующей фазе.

Схема к расчету движения и нагрева дисперсных частиц в рассматриваемых условиях приведена на рисунке 1.

Движение единичной частицы в газовой среде описывается вторым законом Ньютона [8]:

т „ (

т ■

<ли

где--вектор ускорения частицы;

¿/г

X/' - вектор равнодействующей всех сил.

Рис. 1- Схема расчета

Совокупность сил, действующих на частицу в потоке, может быть ограничена главными силами: лобового сопротивления частицы потоку, плотностью и силой Архимеда. Уравнение движения единичной частицы, в котором учтены эти силы, имеет вид [8]:

к-й3 сН'

6 ^ 1 с!т

к-а3 « , ж-с/' а' ■ ит

——Ф> Р2):Я </'--:--- ру

(2)

где а - эквивалентный диаметр частицы, м;

V}/ = 25,6 Яе~ у = 26,3 Яе"' у = 12,3 Яе \|/ = 0,44

■0,5

р\ - ее объемная плотность, кг/м1; р2 - объемная плотность среды, кг/м ; 17 - скорость движения частицы, м/с; И7 - то же газа, м/с;

у/ - коэффициент лобового сопротивления частицы.

Для расчета скоростей движения частиц необходимо знать зависимость коэффициента лобового сопротивления частиц от определяющих факторов. Известные уравнения для определения коэффициента сопротивления частиц относятся, в основном, к шару и описывают зависимость коэффициента сопротивления от критерия Рейнольдса в отдельных областях изменения последнего [8]:

при Яе < 1 (3, а)

при 1 < Ле < 13 (3, б)

при 13 < Яе < 800 (3, в)

при Яе > 800. (3, г)

Следует иметь в виду, что частицы движутся в среде, свойства которой изменяются с температурой. По ходу реактора изменяется ее плотность и кинематическая вязкость.

При разработке метода обработки дисперсных ЖГО в гравитационно-падающем слое весьма важным является определение границы изотермической зоны реактора, в пределах которой частицы имеют постоянную температуру. Для этого необходим анализ их нагрева по ходу движения в гравитационно-падающем слое.

Одиночные частицы в отношении нагрева являются термически тонкими телами, т.е.

для них В1«0,25. Запишем балансовое уравнение теплообмена частицы с окружающей средой:

йТ

с-Р1 .V— = (яконв+Ч,пл)-Р, (4)

СП

где с - средняя теплоемкость оксидных частиц, Дж/кг К; Р - геометрическая площадь их поверхности, м2; V - объем частицы, м1;

Чконв и <:/„„, - тепловые потоки, соответственно, для конвективного и лучистого теплообмена.

Принимаем во внимание, что для сферической частицы:

а I- = к-сГ. — = (а д,1Ш)-

с1Т , , = (ч*

ат

с!-с -

Тепловой поток за счет конвективного теплообмена [10]:

Чконе =а-(Тга3а ~ Т) , (5)

где а - коэффициент теплоотдачи, Вт/м К;

Тгаза и Т - соответственно, температура газовой среды и частицы, К.

В связи с чрезвычайно малой величиной углового коэффициента излучения, лучистой составляющей теплообмена можно пренебречь.

Величина коэффициента конвективной теплоотдачи, а, связана с критерием Нуссельта и для диапазона значений критерия Рейнольдса 0-50 может быть рассчитана по формуле Фресслинга [8]:

Nu=2+0,276Re°-5.

С учетом всех замечаний уравнение (4) примет вид:

^«■(т^-т)--^—- (6)

от а ■ с-р1

Распределение температуры по высоте реактора, Треакт = (р(Н), носит сложный характер, зависящий не только от температуры в его термостабильной зоне, но и от размеров этой зоны, от электрофизических параметров нагревательных элементов и т.п. Поэтому в расчетах температуру реактора целесообразно задавать в табличной форме, а, следовательно, характеризовать изменение плотности газовой среды и ее вязкости по высоте реактора.

Таким образом, математическая модель базируется на описании отдельных, связанных между собой, сторон процесса: динамики движения и нагрева частиц в изменяющемся тепловом поле реактора:

n-d3 dU n-d3 х , n-d2 (U ±W)2

—^■Pr-T = —^-(Pl-P2)-S-V—------P2

6 dz 6 4 2

V = f(Re) (7)

dT _ _6_

dH~a'{ гта J' d-c-pr(U±W) (2 + 0,276 ■ Re0'5) ■ X

а =

d

Решение системы уравнений (7) выполнили на ЭВМ. Целью расчета было определение расстояния, проходимого оксидными частицами в реакторе, до достижения ими температуры термостабильной зоны. Следовательно, оптимальная длина зоны реактора, в которой реализуется гравитационно-падающее движение частиц и режим подачи в него исходного материала должно обеспечить максимальную производительность установки.

При выборе диапазона размеров оксидных частиц приняли во внимание тот факт, что основное количество их в исследованных ЖГО имеют размеры 50 - 160 мкм [11].

В результате расчета был получен график динамики разгона и нагрева оксидных частиц по высоте реактора (рис. 2 и 3). На рисунках приведены примеры расчетов для температуры в термостабильной зоне реактора 1000 °С.

Расчет показал, что максимальное значение критерия Рейнольдса, при изменении параметров в выбранных границах не превышает 3,8. Таким образом, коэффициент лобового сопротивления, у, из уравнения (2) может быть найден с помощью выражений (3, а) и (3, б).

Анализ движения оксидных частиц при заданных условиях расчета показал, что кинетические параметры движения определяются физическими свойствами газовой среды, плотностью и их диаметром. При этом определяющее значение имеет диаметр частиц (см. рис. 2), а температура в термостабильной зоне - второстепенное.

о

о

н

1000

800

О

600

400

200

и

н

0

йуть прохбдимый ч&стицами,'^,

1

Плотность и кинематическая вязкость газа в конечном итоге зависят от температуры: с повышением температуры плотность уменьшается, кинематическая вязкость увеличивается [12]. При этом уменьшение плотности идет более интенсивно, чем увеличение вязкости. Этим объясняется общий вид кривых на рис. 2. На начальном отрезке движения частиц наблюдается увеличение скорости. На следующем участке, соответствующем заметному увеличению вязкости газовой среды, скорость движения несколько уменьшается и остается практически постоянной при достижении частицей температуры термостабильной зоны. Обращает на себя внимание тот факт, что все три участка на кривой движения отчетливо наблюдаются только для частиц малого размера. Для частиц диаметром 50 мкм (кривая 1 на графике рис. 2) «разгонный» участок реактора заканчивается на отметке 0,4 м, следующий за ним участок «торможения» - 0,6 м, далее в термостабильной зоне частица движется с постоянной скоростью. Для более крупных частиц участок торможения и постоянной скорости движения выражены не столь явно (кривые 2 и 3). Из графика видно, что частицы диаметром 200 мкм не приобретают максимально возможную скорость на входе в термостабильную зону.

В изотермической зоне реактора частицы движутся с постоянной скоростью 0,2-2,0

м/с (см. рис.2). В связи с тем, что более 85 % оксидных частиц имеют диаметр менее 100 мкм [9] в качестве расчетной скорости витания можно принять величину 0,5 - 1,0 м/с.

Нагрев частиц при прочих равных условиях также, главным образом, зависит от их диаметра. Наиболее интенсивно нагреваются мелкие частицы. Так, например, частицы диаметром 50 мкм нагреваются до температуры 1000 °С, равной температуре термостабильной зоны, пройдя по реактору 0,7 м, частицы диаметром 100 мкм - 0,75 м, частицы диаметром 200 мкм -1,0 м (см. рис. 3).

Исходя из этого, для нагрева частиц размером 50 - 200 мкм до конечной температуры ~ 1000 °С длина зоны реактора, по которой они движутся в режиме гравитационно-падающего слоя, должна быть не менее 0,95 м.

В результате расчетов были вычислены коэффициенты теплоотдачи, а, которые составили 1000 - 3000 Вт/м2К, что показывает весьма интенсивный нагрев оксидных частиц в режиме гравитационно-падающего слоя.

Проведенные исследования позволяют предложить два принципа обработки дисперсных материалов: 1) обработка материалов в гравита-ционно-падающем слое в вертикальном реакторе в контролируемой атмосфере (магнетизирующий обжиг, поверхностная металлизация); 2) комби-о 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 нированная обработка материала: вначале в гра-Путь проходимый частицами, Н,М витационно-падающем слое, с последующей

Рис.2 - Изменение скорости, и, оксидных частиц при движении по реактору с гравитационно-падающим слоем: 1 - с1 = 50мкм; 2 - с1 = 100 мкм; 3 - с1 = 200 мкм

юоо

800

600

400

200

/ 3/ ' 4

Рис.3 - Нагрев оксидных частиц в гравитационно-падающем слое (Треакх= 1000 °С): 1 -температурное поле реактора; 2 - с1 = 50 мкм; 3 - а = 100 мкм; 4 - а = 200 мкм

обработкой в плотном слое в вертикальном реакторе (магнетизирующий обжиг, поверхностная и полная металлизация).

Выводы

1. Разработана комплексная модель движения и нагрева дисперсных частиц для расчета параметров реакторов с гравитационно-падающим слоем, на основании которой определена высота реактора, необходимая для осуществления нагрева частиц дисперсных ЖГО до температуры обработки.

2. Выполненные комплексные исследования движения и нагрева частиц дисперсных ЖГО показали, что при их движении в разобщенном состоянии в реакторе могут быть достигнуты весьма высокие коэффициенты теплоотдачи - до 3000 Вт/м К.

3. Предложены два принципа обработки дисперсных ЖГО в вертикальном реакторе: в гравита-ционно-падающем и плотном движущемся слоях, которые могут быть реализованы при организации опытно - промышленного производства нового композиционного материала - графита магнитного.

Перечень ссылок

1. Маслов В.О. Композщшш матер1али на основ1 зал1зографш)вих вщход1в мсталурпйного виробництва / В.О. Маслов II ХЪпчна промисловють Укра1ни.-1994.-№4.- С.54-60.

2. Маслов В.А. Исследование кинетики карботермического самовосстановления железографи-товых отходов металлургического производства / В.А. Маслов, Л.А. Трофимова II Вюник Приазов. держ. техн. ун-ту.-Мар1уполь.-2004.-Вип. №14.-С.41-43.

3. Маслов В.А. Дифференциальный термический анализ кинетики карботермического самовосстановления дисперсных железографитовых отходов металлургического производства / В.А. Маслов, Л.А. Трофимова, В.Э. Макеев, Ю.П. Пустовалов II Вюник Приазов. держ. техн. ун-ту.-Мар1уполь.-2003.-Вип. №13.-С.76-79.

4. Маслов В.А. Магнетизирующий обжиг железографитовых отходов в плотном движущемся слое / В.А. Маслов, Л.А. Трофимова, Ю.П. Пустовалов II Вестник Приазов. гос. техн. унта,-Мариуполь,- 1999.-Вып. №8.-С.29-31.

5. Малюкевич В.И. Теплообмен между движущейся средой и стенкой трубы / В.И. Малюкевич II ИФЖ.-1964.-№9.-С.38-43.

6. Маслов В.А. Исследование нагрева частиц железного порошка в гравитационно - падающем слое / Маслов В.А., Александров В.А. II Вестник Приазов. гос. техн. ун-та.- Мариуполь.-1997.-Вып. №3.-С.30 - 32.

7. Южаков Б.А. Математическая модель двухфазного течения в реакторе с гравитационно-падающим слоем I Б.А. Южаков II Вестник Приазов. держ. техн. ун-ту,- Мар1уполь,- 2000,-Вип. №9.-С.40 - 42.

8. Горбис 3. Р. Теплообмен и гидромеханика дисперсных сквозных потоков / З.Р. Горбис,- М.: Энергия, 1970.-296 с.

9. Маслов В.А. Морфология и микроструктура частиц железографитовых отходов металлургического производства / В.А. Маслов, Л.А. Трофимова, Ю.П. Пустовалов II Вюник Приазов. держ. техн. ун-ту.-Мар1уполь.-2002.-Вип. №12.-С.71-75.

10. Кривандин В.А. Теория, конструкции и расчеты металлургических печей / В.А. Кривандин, Ю.П. Филимонов. - М.: Металлургия, 1978. - 360 с.

11. Южаков Б.А. Исследование физико-химических и технологических свойств дисперсных железографитовых отходов ОАО «Азовсталь» / Б.А. Южаков, В.А. Маслов II Вестник Приазов. гос. техн. ун-та.-Мариуполь, 1998.-Вып.№6.-С.30-34.

12. Физико-химические свойства окислов: Справочник / Г.В. Самсонов, А.Л. Борисова, Т.Г. Жидкова и др. - М.: Металлургия, 1978. - 472 с.

Статья поступила 20.03.2006