CC BY
48
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2003 р. Вип. №13
УДК 669.162.2
Симкин А.И.1, Остапенко В.А.2, Томаш А.А.3 КОМПЬЮТЕРНАЯ МОДЕЛЬ ГАЗОДИНАМИКИ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ
Рассмотрены закономерности газодинамики доменного процесса по всей высоте печи с учетом неравномерного радиального распределения шихты и газа. Разработана и реализована на ПЭВМ обобщающая математическая модель газодинамики доменного процесса. Проведен анализ экспериментальных и новых данных, полученных с помощью разработанной модели.
Эффективность работы доменной печи определяется множеством факторов, влияние которых на работу всего агрегата в настоящее время не до конца изучено. Среди физических процессов, происходящих в доменной печи, особое место занимают процессы движения шихтовых материалов и газов. С этой точки зрения доменная печь является шахтным аппаратом противоточного действия. Изучение закономерностей этого процесса позволяет достичь рационального использования энергии газов и рабочего пространства печи. Рассмотрением закономерностей газодинамики занимались целый ряд исследователей. Трехмерные модели [1,2] являются достаточно сложными и малоизученными и не нашли широкого применения в реальном моделировании процессов в доменной печи.
Описанная в работе [3] математическая модель является одномерной для газодинамики доменного процесса. Эта модель наряду с простотой и наглядностью в использовании использует ряд упрощений, значительно влияющих на результаты расчетов. Во-первых, не учтено радиальное распределения газовых потоков, что оказывает значительное влияние на работу всей доменной печи. Во-вторых, для вычисления давления на любом горизонте печи используются усредненные показатели по высоте печи, что является справедливым лишь при определенных условиях работы печи. В-третьих, не учитывается изменение по высоте печи состава газа, а также агрегатного состояния материалов по мере продвижения их к фурменной зоне.
В работе [4] в полном объеме рассмотрены ряд важных вопросов газодинамического состояния доменной печи, в частности, распределение шихтовых материалов по радиусу колошника при загрузке типовыми подачами, исследование газодинамических свойств шихты и их влияние на работу печи. Однако, также как и в работе [3], рассмотрены газодинамические процессы только в шахте печи (зона сухой шихты), не рассмотрены некоторые особенности газораспределения по ее радиусу.
В настоящий момент существует незначительное количество моделей, имеющих компьютерную реализацию. Из таких используемых моделей можно выделить публикацию [5]. В этой работе сделана попытка создания не только локальных математических моделей отдельных подсистем, но и обобщенной (имитационной) модели всего процесса. Наряду с определенными положительными чертами и новизной, данная модель обладает и очевидными недостатками:
- не рассматриваются вопросы неравномерного распределения шихты по радиусу шахты печи;
- рассчитывается только общий перепад давления; не учитываются изменения целого ряда параметров газа и шихты по высоте доменной печи (температура состав, агрегатное состояние);
- используются статические зависимости, а не детерминированные модели;
- неудобный и устаревший интерфейс, присущий Б08-программам.
1 ПГТУ, канд. техн. наук, доц.
2 ОАО «ММК им. Ильича», инженер-программист
3 ПГТУ, канд. техн. наук, доц.
Целью статьи является комплексный анализ и обобщение математических зависимостей, описывающих газодинамические характеристики работы доменной печи. На основании предложенных различными авторами методик сформулирован единый подход к определению газодинамических характеристик. Разработана обобщающая модель газодинамического состояния доменной печи, учитывающая неравномерное распределение шихты и газов по радиусу, а также описывающая газодинамическое состояние по всей высоте печи, что делает возможным анализ и прогнозирование ее работы, а также определение алгоритмов управления агрегатом и путей их совершенствования. Кроме того, для работы доменной печи характерно динамическое изменение ее состояния, сопровождающееся переходными процессами. Данным фактом нельзя пренебречь при описании комплексной модели газодинамического состояния.
Исходными данными для определения газодинамических характеристик являются параметры распределения шихты при загрузке. Для нахождения параметров распределения шихты при загрузке конусным засыпным аппаратом по радиусу печи (по трем зонам - центральная, периферийная и промежуточная) можно воспользоваться формулами, приведенными в работе [4].
Характеристики загружаемой в печь шихты в наибольшей степени зависят от ее начального фракционного состав (распределения по фракциям) и системы загрузки. Общая доля мелочи в шихте определяется как _
V
под
Доля мелочи т' для прямых подач А2К2^ вычисляется по формулам
т'аг = 1.3т - 0.3т2, т'т = \.Ыт-0.Ытг, т'оашд = 0.10т + 0.90т.2
Для подач обратных (К2А2^) и одним коксом вперед (КА2К^)
т" = 2.0т -0.96т2,
(2)
т"шдд=0.\т+0.Ът2, m < 0,25 : т"т = 0.6т + 0.03.
Порозность, важнейшая газодинамическая характеристика шихты, определяется как
е^о.4 =£max " т' "rcct^l. 83 +12.2[(d t /ds)~ 0.07]), (3)
где dM = 2.5 мм - средний диаметр мелкой фракции; dK = 32.5 мм - средний диаметр крупной фракции. smax - порозность крупной фракции, smax = 0,51.
По характеру газодинамических процессов доменную печь условно можно разбить на три зоны: сухой шихты, размягчения и жидких материалов. Задача вычисления потерь напора газа сводится к их определению для каждой зоны.
1) Зона сухой шихты. Эта зона относится к шахте доменной печи. Потери давления в зоне вычисляются по известному уравнению Дарси-Вейсбаха (Эргана):
dp = ¥¡4k^.lz^dK (4)
20di s,.3
где - коэффициент сопротивления проходу газов; d, - крупность частиц, м; s¡ - порозность шихты; y¡ - плотность газа, кг/м3; Фг фактор формы;
Uoi - скорость газового потока в нормальных условиях, отнесенная к полному сечению шахты печи, м/с;
Коэффициент сопротивления Ч^ находят по формуле
f =1^ + 1,75. (5)
Re
Критерий Рейнольдса равен
= (6) V(1 -«?)
где v~().()()()() 12 - кинематическая вязкость газа, м2/с.
Для вычисления потерь давления в реальном слое необходимо учитывать неравномерность распределения шихты и изменение параметров, входящих в уравнение (4), по радиусу печи. Для этого в уравнении (4) используются так называемые эквивалентные характеристики, рассчитываемые по формуле авторов работы [6]
_9_• (7)
Рш
2) Зона размягчения. Зона размягчения условно принимается расположенной в распаре доменной печи. Для определения потерь давления в зоне используется теория «коксовых окон» [7]. Согласно этой теории зона состоит из абсолютно непроницаемых участков размягченных материалов и участков кокса, через который проходит доменный газ. Площадь "коксовых окон"
можно найти с учетом рудной нагрузки и поперечного сечения всего слоя шихтовых материалов
> (8)
1 + phU
где 8расп - площадь распара, м2;
Р.Н. - рудная нагрузка;
ур м - насыпная плотность рудных материалов, кг/м3; ук - насыпная плотность кокса, кг/м ; Кроме того, вследствие специфического распределения при загрузке конусным засыпным аппаратом, коксовые каналы располагаются не строго вертикально, а под углом, приблизительно равным 24°.
Расчет потерь давления осуществляется также по уравнению (4), в котором параметры шихты относятся к параметрам кокса и принимаются равными вк=0.4, с1к=32.5 мм.
3) Зона жидких материалов. В зоне рудный материал находится в расплавленном состоянии и равномерно стекает по коксовой насадке. Потери давления рассчитываются согласно [8]
^441 -О/у.у (9)
20ds2
где вн =0,4 - порозность коксовой насадки;
8=0,44 - порозность коксовой насадки с учетом стекающих рудных материалов.
Немаловажное значение для диагностики и прогнозирования состояния доменной печи играет распределение газовых потоков в ее шахте. В нашей разработке изучали зависимость
скорости газового потока от радикала I. Кроме того, известное распределение газовых по-
V 1 -£
токов дает возможность в модели теплового состояния доменной печи получить зависимости температурного поля по радиусу ее шахты.
Решение дифференциальных уравнений модели осуществляется методом конечных разностей. Для этого вся высота печи условно разделена на N элементарных слоев. В свою очередь каждый из слоев состоит из М концентрических окружностей. Если значения М и N достаточно велики, то можно считать, что элементарная ячейка, образованная этим разбиением имеет постоянные характеристики шихты и газа. Дифференциал функции для такого разбиения заменяется конечной разностью. Например, уравнение Дарси-Вейсбаха записано как
тт2 у 1-е
АР = Vi ■ -—АН. (Ю)
20di s3
' 1
Результаты моделирования (график изменения давления на рисунке) позволяют судить о применимости разработанного метода моделирования. Так, в реальных условиях доменной плавки перепад давления в шахте печи находится в пределах 50-70 кПа. При моделировании для прямых подач перепад составил 63 кПа. Общий перепад давления равен 125 кПа, при среднем значении 120 кПа в реальных условиях доменной плавки. Кроме того, график изменения
давления газа по высоте печи соответствует экспериментальным данным, полученных на разных горизонтах печи.
Применение метода конечных разностей для моделирования газодинамики доменного процесса имеет ряд преимуществ по сравнению с известными методами и позволяет решить следующие задачи
1) Расчет статического давления на любом горизонте рабочего пространства доменной печи с учетом влияния таких параметров, как фракционный состав, распределение и температура шихтовых материалов по радиусу печи, плотности газов и др. Кроме того, имеется возможность динамического построения графика изменения давления по высоте печи.
2) Возможность анализа переходных процессов, вызванных изменением системы загрузки и фракционного состава шихты.
3) Анализ изменения газодинамических параметров во времени (давления у фурм, общего, «верхнего» и «нижнего» перепадов давления).
4) Определение распределения скорости и температуры газа по радиусу печи, а также температуры шихты на колошнике и на любом горизонте шахты.
Программа моделирования газодинамических процессов разработана для использования в среде Windows. Интерфейс программы приведен на рисунке.
Рис. - Интерфейс программы расчета газодинамических характеристик
^Доменная печь __-1 I х|
Файл Управление Вид Параметры
И Управление режимами
© Стоп
Macúnаб времени: 1 час - 2 мин. Производительность печи. т/сЧТ 3400
__Ц_Загрузка_
В Дутье Давление на колошнике, кПа 230 Расход дутья, нмЗ/мин | 4000 1
Температура дутья, град 1100
Содержание кислорода, X \ 23 Содержание влаги, X \ 0,5
Расход газа, нмЗ/мин 300 Q^ |
27 j.,, , ■ р.,.; ., ...р,-^ f ,. * <
230 240 250 260 270 280 290 300 310 320 330 340 350 360 370 Статическое давление газа, кПа
[+) Автоматическ!
1 2 3 4 5 6 Расстояние от стен,м
В верхней части располагается меню, через которое можно получить доступ к настройке всех необходимых параметров модели (выбор объема доменной печи, параметры шихты и др.). Оперативное отображение расчетных параметров совмещено с эскизным рисунком доменной печи. Управление оперативными параметрами осуществляется через систему раскрывающихся панелей в левой части окна программы. Отображение графиков изменения газодинамических параметров производится через вспомогательные встраиваемые панели. На графике изменения давления газа по высоте печи четко виден переходный процесс, вызванный случайными изменения фракционного состава шихтовых материалов.
Выводы
1) Разработанная модель газодинамики доменной печи позволяет определять характеристики шихты и газа в любой точке объема доменной печи, а также строить графики изменения давления газа по высоте печи.
2) Результаты расчетов, полученных с помощью этой модели полностью совпадают с экспериментальными данными работы доменной печи.
3) Применение в модели математических зависимостей, а не экспериментальных данных, позволяет говорить о ее применимости для моделирования газодинамического состояния в любой из существующих доменных печей.
4) Использование детерминированных зависимостей позволит использовать модель для анализа и совершенствования алгоритмов управления газодинамическим состоянием печи.
5) Используемый метод расчета позволяет применить модель для доменных печей не только с конусным засыпным аппаратом, но и с бесконусными засыпными устройствами.
6) Модель может быть усовершенствована и дополнена управляющими алгоритмами, а также адаптационными алгоритмами, учитывающими особенности конкретной доменной печи.
7) Тесная связь газодинамических характеристик и теплового состояния печи позволит разработать обобщенную модель ее газодинамического и теплового состояния.
Перечень ссылок.
1. Теплотехника доменного процесса / Б.И. Kumaee, Ю.Г. Ярошенко, Е.Л. Суханов и др. -М.: Металлургия, 1978.-248с.
2. Гордон Я.М. Механика движения материалов и газов в шахтных печах / Я.М. Гордон, Е.В. Максимов, B.C. Швыдкий - Алма-Ата:Наука, 1989.-142с.
3. РаммА.Н. Современный доменный процесс / А.Н. Рамм - М.:Металлургия, 1980,-303с.
4. Тарасов В.П. Газодинамика доменного процесса / В.П. Тарасов - М.:Металлургия,1990,-216с.
5. Бочка В. В. Повышение эффективности выплавки чугуна на основе новых технологий загрузки и управления ходом доменной печи: дис. д-ра техн. наук / В.В. Бочка - Днепропетровск, 2000.-371с.
6. Тарасов В.П. Метод определения эквивалентных газодинамических характеристик шихты в горизонтальном сечении рабочего пространства при построении одномерной модели движения газа в шахте доменной печи / В.П. Тарасов, A.A. Томаш //Вестник ПГТУ: Сб. науч. тр. - Вып.1,- Мариуполь,1995.-С.7-12.
7. Тарасов В.П. Методы расчета перепада статического давления доменного газа в зоне размягчения шихты / В.П. Тарасов, О.Т. Хайретдинова, A.A. Томаш II Вюник Приазов. держ. техн. ун-ту: 36. наук. пр. - Mapiyno.ib. 2002.-Вип.12.-С.12-14.
8. Томаш A.A. Потеря напора газа в коксовой насадке со стекающим расплавом / A.A. Томаш //Вюник Приазов. держ. техн. ун-ту: 36. наук. пр.-Mapiyno.ib.2002.Вип. 12.-С.9-1 1.
Статья поступила 11.02.2003
