CC BY
30
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
Вип. № 11
2001 р
УДК 669.162.211.4
Быков Л.В.1, Брусов Л.П.2, Тарасов В.П.3, Томаш А.А.4
МЕТОД КОНТРОЛЯ ИЗМЕНЕНИЯ СКОРОСТИ ГАЗОВОГО ПОТОКА ПО РАДИУСУ
КОЛОШНИКА ДОМЕННОЙ ПЕЧИ
Разработан метод расчёта скоростей газового потока в различных радиальных зонах колошника доменной печи с использованием результатов полного анализа химического состава колошникового газа над поверхностью шихты. Метод основан на решении балансовых уравнений и исключает получение некорректных результатов
Оборудование доменных печей новыми загрузочными устройствами: лотковыми, роторными, с осевым технологическим отверстием в большом конусе, - значительно расширяет возможности распределения материалов и газов по радиусу колошника. В то же время недостаточно надёжные средства и методы контроля радиального газораспределения в доменной печи усложняют её управление и препятствуют применению автоматических систем загрузки шихты в печь.
Наибольшее распространение в доменном производстве получили методы косвенной оценки радиального газораспределения по содержанию СОг в колошниковом газе и изменению его температуры. Большую скорость газового потока предполагают на тех участках, где выше температура колошникового газа и ниже содержание в нём СО2. Оценка распределения скоростей газа по диаметру колошника по косвенным показателям имеет ряд недостатков.
Осуществляется только качественная оценка газораспределения. Количественное определение скоростей газа не производится. Между тем, для решения в перспективе задач автоматического управления загрузкой шихты необходимы количественные данные о радиальном газораспределении.
Нет доказательств строгого соответствия между содержанием СО2 в колошниковом газе, его температурой и скоростью в различных радиальных зонах. При определении длительности прохождения газов по сечению печи с использованием гелия наблюдалось несоответствие содержания СО2 в осевой зоне и времени пребывания там доменного газа [1]. Несоответствие состава колошникового газа и его скорости на различных участках печи может усиливаться при использовании многокомпонентной шихты. В зонах сосредоточения известняка и окатышей содержание СО2 увеличивается, а в местах, где расположен горячий агломерат увеличивается температура газа независимо от его скорости.
Более объективным является непосредственное определение скорости газового потока на различных участках радиуса колошника. Известны попытки непосредственного измерения расхода газа с помощью трубы с шайбой диаметром 37 мм, индикации доменного газа парами ртути, гелием, радиоактивными элементами [1]. Необходимое для таких измерений специальное оборудование, их трудоёмкость и громоздкость, недостаточно высокая точность и значительные искажения результатов измерений позволяют рассматривать такие методы только как экспериментальные, предназначенные для краткосрочных замеров и непригодные для постоянного контроля доменной плавки. Таким образом, регулярное количественное определение скоростей газового потока в различных радиальных зонах печи в настоящее время возможно только расчётным путём. Наиболее строгой методикой расчёта выхода газа по радиальным зонам представляется решение системы балансовых уравнений [2]. Однако, её применение часто приводит к некорректным результатам с отрицательными значениями скорости газа. Это объясняется не-
1 МК «Азовсталь», инж.
2 ПГТУ, канд. техн. наук, ст. науч. сотр.
3 ПГТУ, д-р техн. наук, проф
4 ПГТУ, канд. техн. наук, доц.
соответствием состава общего газа, отбираемого на анализ из пылеуловителя, среднему содержанию его компонентов по радиусу колошника.
Для осуществления регулярного контроля за радиальным распределением газового потока на доменных печах № 3 и 4 МК «Азовсталь» установлены автоматизированные системы отбора, анализа и измерения температур колошникового газа над поверхностью шихты. Отбор газа производится двумя подвижными зондами, управляемыми компьютером. Размещение зондов над шихтой в отличие от традиционных устройств, вводимых в шихту под защитными плитами колошника, позволяет за счёт улучшения условий эксплуатации повысить их надёжность. Зонды передвигаются в направлении от стен к оси, останавливаясь в N точках радиуса колошника, ограничивающих N-1 равновеликих зон. Пробы колошникового газа пропускаются через фильтр и по импульсным трассам направляются к газоанализаторам. Одновременно осуществляется измерения температур колошникового газа с помощью термопар, установленных в штангах подвижных зондов. В каждой пробе газа определяют содержание углекислого, угарного газа и водорода. Их содержание в ¡-й радиальной зоне (С021, СО . Н21) рассчитывают как средние арифметические содержаний С02, СО и Н2 в ¡-й и ¡+1 -й точках, ограничивающих зону. Содержание азота в газе рассчитывают: N21 = 100 - С021 - СО! - Н21. Результаты анализа состава и измерения температуры газа обрабатываются и сохраняются в компьютере.
Традиционно при анализе радиального шихто- и газораспределения площадь колошника разбивают на 3 равновеликие зоны: периферийную, промежуточную и осевую [1]. При этом по протяжённости осевая зона в радиальном направлении значительно превосходит периферийную и промежуточную и занимает более половины радиуса колошника. Газодинамические условия на внешней границе осевой зоны в середине радиуса колошника, где сосредоточено большое количество агломерата и окатышей, и поток газов ограничен, значительно отличается от условий в области, расположенной непосредственно у оси доменной печи, где преимущественно располагается кокс, и формируется развитый газовый поток. Целесообразно дополнительно разделить осевую зону и выделить наряду с периферийной и промежуточной областями центральную зону, непосредственно окружающую осевую. Переход от большего числа N-1 радиальных зон к четырём производится путём их объединения. Объединяются соседние зоны с наиболее близким составом газа. Сравнение состава газа осуществляется с помощью критерия
Ким= а™ !СОХ1_м + <т£+1 /СО~1 + ст^ /Л^, (1)
где СО2 ¡_м , ( Y/ ( | , N2 ¡_м - средние содержания С02, СО и N2 в двух соседних зонах, %
С02 СО ^N2 гг\ ГА tvt
сг_г+1, СГ( ( | , сг_г+1 - среднеквадратичное отклонение содержания С02, СО и JN2 от средних значений в двух соседних зонах, %.
Критерий К _ 1+1 представляет собой сумму коэффициентов вариаций содержания С02, СО и N2 в двух соседних зонах. Чем меньше значение критерия, тем ближе состав газа. Так как определяются среднеквадратичные отклонения только двух величин, значение Kbl+i может быть рассчитано по упрощённой формуле
п = К- -CQ^iL \со, -С0М\ + К, -Ai„+1|
co2i + С02М со, + сом N2j + N2j+1 Выход газа в четырёх радиальных зонах определяется решением системы четырёх балансовых уравнений: баланса углерода и кислорода в составе С02 и СО, баланса азота и выхода газа
~N-1
у СХ = С,Х, + С7Х7 + ... + С.Х. +... + с„ ,х„, =сп
/ , 11 11 2 2 11 N-1 N-1 0
1=1
N-1
у ОХ =0,Х, +ОД, + ... + ОХ +... + 0N ,х„, =оп
/ j 11 11 2 2 11 N-1 N-1 0
¿=1 , (3)
N-1
У NX. =N,X, +N2X2 +... + NX. +... + N„ ,X„ , =Nn
/ , 11 11 2 2 11 N-1 N-1 0
i-l JV-1
YiXl=Xl+X2+... + Xl+... + XN_l=l
. ¿=1
где C0, O0, N0 - содержание углерода, кислорода и азота в общем газе, %.
Выход газа в каждой зоне - V;. При общем выходе колошникового газа Q доля газа в каждой зоне составит X; = V,/Q. Содержание углерода С и кислорода О в составе С02 и СО в каждой зоне и в общем газе определяется соотношениями С; = СО: + СО и О, = 2СО: + СО .Выход газа в объединяемых зонах принят одинаковым. Это позволяет преобразовать (3) в систему четырёх уравнений с четырьмя неизвестными. Так, при отборе газа на анализ в семи точках радиуса колошника, ограничивающих шесть зон, и объединени 2-й и 3-й зон в промежуточную, а 5-й и 6-й в осевую зоны система балансовых уравнений принимает вид \С,Хтр +(С2 +С3)Хпром +С4хч +(С5 +С6)Хос =с0
о,хпер + (02 + 03 )Хпром + оАхч + (05 + 06 )Хос = О0 (4)
N.X +(N,+N,)X +NdX +(N. +NJX =Nn
1 пер v l i' пром 4 ц ^ 5 6 ' oc U
Xnep + 2X пром + Хц+ 2Xoc = 1
В системе уравнений (4) выдерживаются соотношения Xnep=Xi, ХПром=Х2=Х3, ХЦ=Х4, Х0С=Х5=Х6. При изменении количества точек отбора газа и порядка объединения радиальных зон вид системы балансовых уравнений также меняется. Решение системы (4) любым известным способом позволяет определить выход газа в каждой радиальной зоне. При этом решение должно удовлетворять условию корректности: Хпер > 0, Хпр0м > О, Хц > О, Хос > 0. Как правило, это условие не выполняется из-за несоответствия состава радиального и общего газа. Для получения корректных результатов производится пошаговая поправка значений правой части системы уравнений (4) с одновременным изменением содержания всех трёх компонентов от фактических Со, Оо, No к средним арифметическим значениям C,0,N состава газа в N-1 радиальных зонах колошника.
Общее число шагов поиска должно быть достаточно велико, Ns= 100 -г- 1000, чтобы обеспечить небольшую величину шага
Shc=(C-C0)/Ns, Sha=(Ö-O0)/Ns, ShN=(N-N0)/Ns, (5)
После каждого ns - го шага значения правой части уравнений системы (4) определяются соотношениями
Con = Со + ns*Shc, Oon = Oo + ns*Sho, N0n = N0 + ns*ShN (6)
и система (4) решается повторно. Поправки правой части уравнений и повторные решения системы производятся, пока не выполнится условие корректности. Форма кривой распределения газового потока по радиусу колошника, полученная при решении системы уравнений с фактическими значениями Со, Оо и No, сохраняется неизменной в процессе приближения к корректному решению.Выполнение всех Ns шагов ведёт к вырожденному решению, кривая радиального распределения газа преобразуется в горизонтальную прямую.
При достаточно мелких шагах изменения правой части уравнений, и соответственно большом числе шагов Ns, корректное решение системы уравнений обеспечивается при минимальном выходе газа, практически равном 0 ( lim Хтт =0). Для определения реальных скоростей
Yv у
газового потока решение системы балансовых уравнений должно удовлетворять ещё одному условию: заданному максимальному отношению выхода газа в зонах с максимальной Хтах и минимальной Хтт газопроницаемостью. Это отношение рассчитывается в соответствии с уравнением Эргона [1]
l^o-^ (7)
Хтт у £ mm dmm (1 - S max )
где в max, Smin, dmax, cLin - порозность и среднегармонический диаметр частиц шихты в зонах с максимальной и минимальной газопроницаемостью, м3/м3, м.
Для условий МК «Азовсталь» Хтях/Хтт = 4,4. Скорость газа в различных точках радиуса колошника площадью SK определяется пропорционально долям выхода газа X сначала в осевой
JV-1
га п ГС
к
X ГС
ш о п л с о с о
Л X
ш с ш 1-о
55
50
45
40
35
30
о 1
! ^ г \ / с 1 \
Ч V / \ ► /\ / \ Г 1 \ \ 1
1 \ \ Г\ 1' \ ч\ 1 / / / 1/
____ / \
1
3,0 2,5 2,0 1,5
1,0 2 о
0,5 О
0 1 2 3 3 2 1 0
Расстояние от стен колошника, м
Рис. - Изменение степени использования (1) и скорости (2) колошникового газа по диаметру доменной печи № 4 МК «Азовсталь» 24.11.1999
а затем в других радиальных зонах: у;= уос*Х/Х\_|.
Изменения по диаметру колошника расчётной скорости газа и его состава, характеризующегося степенью использования г|Со = С02/(С0+С02), зеркально отражают друг друга. Несоответствие наблюдается в осевой зоне, что может быть следствием особенностей отбора газа над поверхностью шихты. При глубокой осевой воронке на поверхности засыпи расстояние между шихтой и газо-отборным зондом превышает 4 м. На таком расстоянии осевой газовый поток может выравниваться или отклоняться к газоотводам.
Выводы
На доменных печах № 3 и 4 МК «Азовсталь» установлены автоматические системы отбора, анализа и измерения температуры газа по диаметру колошника. Решение системы балансовых уравнений с поправками состава общего газа позволяет рассчитывать изменение скорости газового потока по диаметру колошника, исключая некорректные результаты.
Перечень ссылок
1. Тарасов В.П. Газодинамика доменного процесса. - М.: Металлургия, 1990. - 216 с.
2. Товаровский И.Г., Бондаренко В.И. Методика оценки радиальной неравномерности работы газового потока в доменной печи // Металлургия и коксохимия. - Киев, 1975. - Вып. 43. -С. 29-36.
Быков Леонид Всеволодович. Технический директор МК «Азовсталь». Окончил Мариупольский металлургический институт в 1984 г. Основные направления научных исследований -технологические основы автоматизации контроля и управления доменным процессом.
Брусов Лев Петрович. Канд. техн. наук, ст. научный сотрудник лаборатории фильтров, окончил Московский институт стали и сплавов в 1948 г. Основные направления научных исследований - контроль восстановительных процессов в доменной печи, бескоксовая металлургия.
Тарасов Владимир Петрович. Д-р техн. наук, профессор кафедры металлургии чугуна, окончил Московский институт стали и сплавов в 1954 году. Основные направления научных исследований - газодинамика доменного процесса; загрузка доменных печей.
Томаш Александр Анатольевич. Канд. техн. наук, доцент кафедры металлургии чугуна, окончил Мариупольский металлургический институт в 1987 году. Основные направления научных исследований - закономерности движения зернистых материалов и газов в противоточ-ных реакторах.
Статья поступила 21.12.2000.
