CC BY
60
ГГГГГ1 IБ
1(82), 2016 I V
УДК 621.745 Поступила 09.02.2016
ДВИЖЕНИЕ ДИСПЕРСНЫХ МАТЕРИАЛОВ В РОТАЦИОННЫХ НАКЛОНЯЮЩИХСЯ ПЕЧАХ
THE MOVEMENT OF DISPERSED MATERIALS IN TILTING ROTARY FURNACES
С. Л. РОВИН, УП «Технолит», г. Минск, Беларусь, ул. Я. Коласа, 24. E-mail: [email protected] S. L. ROVIN, Technolit Co, Minsk, Belarus, 24, Kolasa str. E-mail: [email protected]
В статье представлены результаты исследования движения дисперсных материалов в ротационных печах, предложена схема, описывающая сложное винтовое возвратно-поступательное движение материалов в ротационных наклоняющихся печах, предназначенных для рециклинга дисперсных металлосодержащих отходов.
The article presents the results of a study of the movement of dispersed materials in tilting rotary furnaces. The proposed scheme describes a complex helical reciprocating movement of materials in rotary tilting furnaces that are designedfor recycling of dispersible metal-containing wastes.
Ключевые слова. Ротационные печи, движение дисперсных материалов, имитационная модель. Keywords. Rotary furnaces, the movement of dispersed material, simulation model.
Введение. В топливных нагревательных и плавильных печах эффективность тепломассообменных процессов во многом определяется интенсивностью и характером движения теплоносителя (газового потока) и обрабатываемого материала. Чем выше скорость газового потока, чем глубже он проникает в слой материала, тем быстрее нагревается материал и активнее протекают массообменные процессы
Увеличение скорости массообменных процессов в продуваемом динамическом слое отмечается многими исследователями и подтверждается практикой . В работе [1] приведены данные о значительном ускорении процессов нагрева и интенсификации массообмена в продуваемом слое стружки . В 8-10 раз сокращается время металлизации при продувке монослоя окатышей диаметром < 10 мм [2] .
Наибольшая интенсивность этих процессов обеспечивается при продувке слоя материала газовым потоком: в шахтных печах, во вращающихся печах, печах с псевдоожиженным слоем и в пневмопотоке . Печи с псевдоожиженным слоем и восходящим потоком используются, как правило, для обработки монодисперсных материалов Переработка дисперсных материалов в шахтных печах представляет значительные сложности из-за высокой плотности и соответственно большого гидравлического сопротивления слоя дисперсных материалов Увеличение давления продувки слоя приводит к нарушению газового режима, возникновению «каналов», резкому увеличению выноса частиц из рабочего пространства печи .
Наиболее эффективным агрегатом для термообработки полидисперсных материалов являются вращающиеся (ротационные) печи . Во вращающихся печах объемный коэффициент теплопередачи (ау) достигает 3000 Вт/м3, в то время как в неподвижном слое материала в кольцевых печах, печах отражательного типа и других он находится на уровне 3-4 Вт/м3 [3] .
Основная часть. Движение материала во вращающихся печах различного типа имеет много общего . Это движение определяется силами межчастичных связей (когезии), внутреннего трения в слое, силами трения и адгезии на границе «материал-футеровка», силами инерции (центробежными силами) и силой тяжести . Кроме того, на верхний слой частиц, особенно при обрушении, действуют аэродинамические силы потока газов . Очевидно, что при увеличении скорости вращения корпуса печи интенсивность перемешивания и тепломассообменных процессов в слое увеличивается Чем больше сцепление материала с поверхностью футеровки, тем выше поднимается материал при повороте печи и тем интенсивнее разрушается (сдвигается и обрушается) слой
6/
1ГГПХЗГГ шппглггта 1 (82), 2016-
Скорость «вращения» материала в печи примерно в 3-4 раза выше, чем скорость вращения корпуса печи . Это превышение зависит от относительного объема загрузки и соотношения толщины слоя и диаметра печи .
В то же время есть существенные отличия в движении материалов во вращающихся печах проходного типа (непрерывного действия) и печах периодического действия, в короткобарабанных печах с горизонтальной осью вращения и ротационных наклоняющихся печах (РНП), ось вращения которых находится под углом к горизонту. Эти отличия касаются, в первую очередь, осевой составляющей движения материала (отдельных частиц и слоя в целом) .
В первом приближении для понимания механики движения дисперсных материалов в ротационных печах может быть использована известная математическая модель, описывающая поведение шаров в шаровой мельнице [4] . Следует отметить однако, что в шаровой модели не учитываются силы межчастичных связей и силы адгезии
Согласно этой модели, на частички материала (т), расположенные в непосредственной близости от внутренней поверхности корпуса печи, действует радиальная сила N возникающая от действия центробежной силы и радиального вектора веса (рис . 1):
2
Рис . 1 . Схема распределения сил, действующих на частицы материала, находящегося на внутренней поверхности печи
N =
mv
- ± mg cos а .
(1)
Во время вращения барабана сила N вызывает трение между частицами материала и поверхностью барабана с коэффициентом (К^), который зависит от состояния поверхности барабана и самих частичек . В результате происходит «прилипание» частиц к поверхности барабана (FJV = NKJV), их подъем и ускорение
С увеличением угла подъема материала радиальная компонента массы уменьшается и меняет знак после того, как частицы перейдут через горизонтальную ось (а = 90 °С, ras а = 0) .В зависимости от скорости вращения, раньше или позже, частица теряет контакт с поверхностью барабана, отрывается и скользит (или скатывается) по свободной поверхности слоя . Падающие частицы создают каскад и покрывают верхний слой материала . Таким образом, происходит перемешивание материала в печи и теплообмен в слое
Предельное состояние, когда силы инерции FH = mv2/r становятся меньше радиальной составляющей силы тяжести G cos а, соответствующее отрыву материала от поверхности барабана, представлено в виде схемы (рис . 2) [5] .
Вторым предельным случаем является ситуация, когда силы инерции (центробежные силы) превышают гравитационные силы:
.2
-)mg или v)VK=y[gr. (2)
mv
а б
Рис . 2 . Схема отрыва частиц от поверхности барабана во вращающейся печи: а - момент критического равновесия; б - момент отрыва частиц: Fи, Fg - силы инерции и гравитации; N - равнодействующая инерционных и гравитационных сил;
- сила аэродинамического давления газового потока
аггтгг^ г: /т^ш'лтгш /7
-1(82), 2016 / Я
а б
Рис . 3 . Положение дисперсного материала при вращении: а - высокотемпературный нагрев стружки в РНП; б - имитационная модель
Если выразить критическую линейную скорость через критическую скорость вращения печи (пк): Vк = юкг = 2пгпк, то условие (2) можно записать в виде:
(3)
где п - скорость вращения печи, об/с; г - внутренний радиус печи, м .
Когда скорость вращения печи превышает критическое значение (п)пк), материал не отрывается от внутренней поверхности печи, даже если находится в верхней точке (а = 180°) и соответственно не перемешивается . Чтобы такая ситуация имела место для печи с радиусом рабочего пространства, равным 1 м, скорость вращения должна быть не менее 30 об/мин . В то же время ротационные нагревательные и плавильные печи имеют скорость вращения, как правило, не более 3-6 об/мин . Поэтому центробежные силы не играют здесь определяющую роль
На практике подъем материала и его обрушивание (соскальзывание) в большей мере зависят от степени наполнения печи материалом, сил когезии и внутреннего трения в слое, сил адгезии и внешнего трения Под действием этих сил при вращении печи материал занимает сегмент, соответствующий углу 120-145° . Часть слоя, увлекаемая подложкой (поверхностью футеровки), достигает точки отрыва (угол 90-120° к вертикали) и под действием силы тяжести скатывается (соскальзывает) по поверхности слоя .
В сечении слоя, перпендикулярном оси вращения печи, образуется так называемый «чечевицеобраз-ный» профиль . Эта форма наблюдается как в промышленных печах, так и на имитационных моделях (рис 3)
В общем случае в поперечном сечении слоя можно выделить две характерные зоны (рис 4) Первую -циркуляционную зону образует периферия слоя, примыкающая к свободной поверхности слоя и поверхности, соприкасающейся с корпусом печи . Материал в этой зоне движется наиболее активно: захватывается поверхностью печи, поднимается вверх, отрывается в верхней точке от стенки печи, останавливается, обрушивается и скользит по свободной поверхности слоя
Вторая - центральная зона, образуется внутри слоя В этой зоне, формирующей ядро слоя, материал движется медленнее, частицы покидают этот слой, увлекаемые материалом, движущимся в циркуляционной зоне В свою очередь, материал из циркуляционной зоны тоже переходит (выпадает) в центральную зону. Таким образом, происходит перемешивание материала в слое . Решающее влияние на размеры центральной зоны и перемешивание материала оказывают силы когезии и внутреннее трение в слое .
В верхней части сечения слоя имеет место характерное утолщение -«вал», образующийся в результате отрыва от поверхности печи и остановки материала . В средней части свободной поверхности образуется характерная выемка - скорость движения частиц в момент обрушивания вала увеличивается, затем по ходу скольжения по поверхности материала уменьшается, а угол наклона свободной поверхности слоя приближается к углу естественного откоса материала. Точка перегиба на линии, образующей свободную поверхность слоя, соответствует моменту перехода от ускоренного движения к замедленному
Рис . 4 . Схема поперечного сечения слоя материала в ротационной печи: 1 - циркуляционная зона; 2 - центральная зона (ядро)
!ггггг=| йшглт* гта
1 (82), 2016
В нижней части слоя скорость движения материала уменьшается до нуля, а частицы, достигшие поверхности печи, вновь подхватываются и устремляются вверх . Это приводит к образованию в нижней части «вала», аналогичного верхнему сечению слоя .
Нагрев дисперсных материалов сопровождается значительными изменениями состояния их поверхности, адгезионных и когезионных свойств, уменьшением внутреннего трения в слое и внешнего трения по поверхности печи, зачастую меняется (повышается) и дисперсность материала (например, чугунной стружки, окалины и др . ) . Это приводит к изменению профиля слоя, угол подъема и сектор, занимаемый материалом, уменьшаются, положение и конфигурация слоя приближаются к форме и положению, которое занимает жидкость (расплав) в подобных условиях [1] .
Исследования, проведенные на имитационных моделях, подтвердили, что скорость «вращения» материала в ротационных печах значительно выше, чем скорость вращения корпуса печи Это превышение зависит от относительного объема загрузки или сегмента окружности занимаемого материалом В РНП, имеющей рабочее положение под углом к горизонту (как правило, в пределах 12-18°), чем ближе материал находится к горловине печи, тем меньший сегмент окружности он занимает и тем быстрее вращается (больше оборотов совершает за 1 оборот печи)
Циркуляция материала в ротационных печах с осью вращения, находящейся под углом к горизонту, в отличие от печей с горизонтальной осью вращения, происходит как в сечении, перпендикулярном оси вращения печи, так и в продольном направлении (рис . 5) .
В сечении, перпендикулярном оси вращения, частицы, находящиеся во внешнем слое, перемещаются непрерывно: в зоне, примыкающей к поверхности печи, они двигаются по окружности за счет сил адгезии и внешнего трения, а на свободной поверхности слоя скользят под действием гравитационных сил, преодолевающих силы когезии (межчастичные связи) и внутреннее трение в слое В продольном направлении (вдоль оси вращения) от горловины печи к ее днищу частицы материала перемещаются пульсационно - в момент обрушивания слоя или скольжения по его поверхности . Таким образом, материал перемещается к днищу печи, где, накапливаясь, образует «придонный вал»
После достижения критического уровня верхний слой от днища сдвигается к горловине, создавая встречное движение материала в осевом направлении
В результате материал в РНП совершает винтовое возвратно-поступательное движение, обеспечивающее активное перемешивание, как в радиальном, так и в продольном направлении, в отличие от однонаправленного движения в барабанных печах традиционного типа [4] .
Скорость движения слоя, примыкающего к поверхности печи определяется скоростью вращения печи и условиями трения на границе материал - футеровка:
где k - коэффициент, учитывающий проскальзывание материала по поверхности печи (к < 1); г - внутренний радиус печи
Скорость движения материала, находящегося на свободной поверхности слоя в момент обрушивания (скольжения), определяется перепадом высот (АН) между точкой начала скольжения - границей
Контур Внутренней поверхности печи ---Линия оВрыВа
Днище печи
Дбижение материала на поверхности слоя
Движение материала В зоне контакта с футераВкой печи
г
Рис . 5 . Траектория движения частиц дисперсного материала в РНП
/хтггг; г: гтггм^т^, / -1(82), 2016 /
подъема материала при вращении печи, что, в свою очередь, зависит от адгезии материала, внешнего трения, скорости вращения, толщины слоя, и точкой его завершения, углом наклона поверхности скольжения к горизонту и силами сопротивления скольжению (силами межчастичного взаимодействия - ко-гезии и трения в слое) . При этом скорость перемещения частиц в продольном направлении, помимо сказанного, зависит также от угла наклона оси печи к горизонту (а) . В общем случае для скорости движения частиц по свободной поверхности в осевом направлении (v0 ) можно записать:
v0 =y¡AHa sin а .
Для скорости движения в плоскости, перпендикулярной оси вращения (v^):
= ^АНа cosa
Здесь а - ускорение движения частицы по поверхности слоя . В первом приближении можно запи-
a=g-Y,
где g - ускорение свободного падения; y - переменная величина, характеризующая сопротивление скольжению материала по свободной поверхности слоя, которая зависит от угла наклона поверхности к горизонту, сил межчастичного сцепления и трения в слое, что, в свою очередь, связано с температурой материала, состоянием поверхности частичек, гранулометрией материала и другими факторами .
Описанный характер движения подтверждается наблюдениями за материалом, помещенным в прозрачную емкость - имитационную модель, соответствующую РНП по соотношению основных геометрических параметров, пространственному расположению и динамическим характеристикам ^емод = Кврнп) . На рис . 6 с использованием имитационной модели показано перемещение поверхностного прогретого слоя материала в процессе вращения печи - выделены мгновенные положения слоя, соответствующие количеству совершенных оборотов и текущему углу поворота корпуса печи
Новые данные, полученные в результате исследований, расширяют представления о закономерностях движения дисперсных материалов в ротационных печах с горизонтальной и наклонной осью вращения, позволяют уточнить технические характеристики и конструктивные параметры ротационных наклоняющихся печей
а
1 2
б
Рис . 6 . Перемещение нагретого слоя в имитационной модели РНП: а - фронтальные снимки положения слоя (1 - исходное положение, прогрет верхний слой материала, вращение не началось; 2 - положение прогретого слоя в процессе вращения -3/4 оборота; 3 - положение слоя через 1,5 оборота; 4-3 оборота; 5-5 оборотов; 6-7 оборотов; 7-9 оборотов; 8 - вращение остановлено через 10 оборотов, прогретый слой равномерно распределился в общем объеме материала); б - боковые снимки материала (1 - через 1 оборот после начала вращения; 2 - через 3 оборота после начала вращения имитационной емкости)
9
1П/ ЛГГТГгГ гг ГЛ^ГГТЛЛТТГГГГ
■ и/ 1 (82), 2016-
Выводы
Впервые с помощью имитационной модели выполнено комплексное исследование движения дисперсного материала в РНП с наклонной осью вращения . Установлено, что материал в таких печах совершает сложное винтовое возвратно-поступательное движение, при этом скорость «вращения» слоя более чем в 3 раза превышает скорость вращения самой печи . Такой характер движения материала в РНП и петлеобразное движение газового потока значительно ускоряют происходящие в печи тепломассообменные процессы и повышают термический к . п . д . агрегата до 45-50% .
Полученные закономерности и разработанные технические решения подтвердились на практике и были использованы при модернизации действующих и внедрении новых ротационных печей .
Литература
1.Д ь я к о н о в О . М. Комплексная переработка стружки и металлосодержащих шламов . Минск: Технология, 2012. 262 с .
2 .К у р у н о в И . Ф . , С а в ч у к Н .А . Состояние и перспективы бездоменной металлургии железа . М. : Черметинформа-ция, 2002 . 198 с .
3 . Р о в и н С .Л. Рециклинг металлоотходов в ротационных печах. Минск: БНТУ, 2015 . 382 с .
4 .Л и с и е н к о В .Г. , Щ е л о к о в Я . М. , Л а д ы г и ч е в М .Г. Вращающиеся печи: теплотехника, управление, экология . М. : Теплотехник, 2004 . 554 с .
5 . Ш м и т ц К . Роторно-поворотная барабанная печь: современная технология в производстве вторичного алюминия // Металлургическое производство и технология металлургических процессов . 2006. № 1. С . 30-41.
References
1.D j a k o n o v O . M . Kompleksnaja pererabotka struzhki i metallosoderzhashhih shlamov [Сотр1ех treatment of metal chips and metallurgical sludge] . Minsk, Technologija Publ . , 2012, 262 p .
2 . K u r u n o v I . F. , S a v t u k N .A . Sostojanie i perspective bezdomennoji metallurgiyi zheleza [Current state and outlook of direct process metallurgy] . Moscow, Chermetinformacija Publ . , 2002, 198 p .
3 . R o v i n S . L . Recycling metalloothodov v rotacionnih pechah [Recycling of metal wastes in rotary furnaces], Minsk, BNTU Publ. , 2015, 382 p .
4 .L i s i e n k o V. G . , S c h e l o k o v Y a . M . , L a d y g i c h e v M . G . Vraschayuschiesya pechi: teploteknika, upravlenie, ekologiya [Rotary furnaces: heat engeneering, management, ecology], Moscow, Teploteknik Publ . , 2004, 554 p .
5 . S h m i t z K . Rotorno-povorotnaja barabannaja pech: sovremennaja tehnologija v proizvodstve vtorichnogo aljuminija . [Tilting rotary furnace: a modern technology in the production of secondary aluminium] . Metallyrgicheskoe proizwodstwo i Technologiy metal-lyrgicheskih protsessow = Metallurgical Plant and Technology, 2006, no . 1, pp . 30-41.
