CC BY
0ISSN 2077-1738. Сборник научных трудов ГОУВПО ЛНР «ДонГТУ» 2017. № 8 (51)
_Металлургия и материаловедение_
УДК 669. 162
д.т.н. Новохатский А. М., к.т.н. Должиков В. В., к.т.н. Диментьев А. О., Падалка А. В.
(ДонГТУ, г. Алчевск, ЛНР)
О РАЗЛИЧНЫХ МЕТОДИКАХ РАСЧЕТА ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ ТЕМПЕРАТУРЫ
ГОРЕНИЯ
Проведен анализ методик расчета теоретической температуры горения топлива в доменной печи для установления причин различия в результатах.
Ключевые слова: доменная печь, расчетные параметры доменной плавки, теоретическая температура горения топлива, методики расчета теоретической температуры, теплоемкость газов.
Проблема и ее связь с научными и практическими задачами.
Теоретическая температура горения (1р) — один из важных расчетных параметров доменной плавки, необходимых для технологического анализа. Ее абсолютные значения и изменения позволяют оценивать тепловые и газодинамические условия, складывающиеся в нижней части доменной печи. При создании математических моделей доменного процесса расчеты теплообмена между потоками шихты и газа невозможны без использования этого параметра.
Методика расчета 1г, основанная на тепловом балансе зоны горения топлива в горне, в целом не вызывает сомнений и описана достаточно подробно в литературе (например [1]). Для составления баланса используют:
- ряд постоянно контролируемых параметров дутья и вдуваемого через фурмы дополнительного топлива;
- физические характеристики веществ и процессов в зоне горения, принимаемые по справочным данным;
- различные допущения, количество которых варьируется в широких пределах (упрощение температурных зависимостей теплоемкостей газов; адиабатность процессов в зоне; постоянство физико-химических характеристик дополнительного топлива;
пренебрежение теплотой окисления чугуна, проходящего через зону, и т. д.).
Стремление облегчить расчет ^ за счет не всегда обоснованных допущений привело к появлению эмпирических формул [2, 3]. Некоторые из них максимально упрощены, что при современном доступе к вычислительной технике нельзя признать серьезным аргументом.
Изложение материала и его результаты.
В качестве примера, для сопоставительного анализа были выбраны следующие формулы (номера формул соответствуют номерам источников в списке литературы [1-3]).
Кроме того, сделаны расчеты по методикам [4, 5] на базе тепловых балансов. Базовым вариантом для расчетов служили следующие условия:
- температура сухого дутья 1000оС;
- содержание кислорода в дутье 21 %;
- дополнительные топлива не вдувают;
- температура углерода кокса, поступающего в зону горения, = 1500оС.
Результаты расчетов представлены в таблице.
Следует добавить, что формулы (2), (2'), (3) — эмпирические (в таблице текст выделен курсивом). Расчеты по этим формулам ориентированы в основном на оценку вариаций теоретической температуры при изменениях технологических параметров.
Металлургия и материаловедение
tT = {0,934Ид + 8208 ю - ф(2402-1,2177 - (1,9322 +2,235Wp^--(0,39 + 2,2175CPt)Stb - 2673Sr + 94,76} / {1+ ю +2ф + (0,0012 + 0,0013Wp)Sж + (1)
+ 0,0005Stb + 2,026Sp},
гДе ^ Ф, ю — паРаметры здутья: темпе- Ст — содержание углерода, в элемен-
ратура, С; влажность, м /м ; содержание тарном составе рабочей массы топлива
кислорода, м /м ; (кг/кг).
Sж, Sтв, Sr — расход жидкого, твердого (кг), газообразного (м3) вдуваемого топлива на 1 м3 сухого дутья;
Ъ = 2405 + 0,75 (^ - 1200) - 5,40 ф + 43,0 (ю-21) - 52,0 D; (2)
Ъ = 2240 + 0,67 (^ - 1200) - 4,90 ф + 48,8 (ю- 21) - 60,6 D - 22,5Г -
- 24,8Д - 12,9Т - 9,8А; (2')
Ъ = 2000 + 0,75 (^ - 1100) + 40 (2 - ф) + 50 (ю - 25) + 53 (9 - D) -
-26 КГ - 4 М, (3)
где D — расход природного газа, % к КГ — расход коксового газа, % к дутью; дутью; М — расход мазута, г/м3 дутья.
Г, Д, Т, А — массы углей ПУТ газовых, длиннопламенных, тощих и антрацита соответственно, кг/т чугуна;
Таблица
Расчетные значения теоретической температуры (оС) и ее вариации Дг (оС) при изменениях
технологических параметров
Параметры дутья Метод расчета (по списку литературы)
1 2 2' 3 [4] [5] [7]
базовый вариант 2275 2255 2106 2282 2248 2226
Изменения параметров +1 % ю At 2323 2298 2155 2332 2299 2272 -
48 43 49 50 51 46 48
+1000C At 2352 2330 2173 2357 2325 2304 -
77 75 67 75 77 78 81
+1% ф At 2228 2212 2067 2242 2162 2179 -
-47 -43 -39 -40 -86 -47 -49
Примечание: в [7] базовый вариант — 1д=1130°С; ю=30%; ф=1%; Б=15%; 1;Ск=1400оС. Результаты расчета цитируются.
Результаты расчета по эмпирическим формулам существенно различаются по абсолютной величине, что делает их непригодными для сопоставительного анализа.
Формулы (1), [4, 5] получены из тепловых балансов зоны горения с различными допущениями, но дают более однородные результаты. Тем не менее разность в зна-
Металлургия и материаловедение
чениях, по нашему мнению, довольно ощутимая, требующая объяснений. (Завышенное, в сравнении с другими, влияние влажности дутья, вероятно, связано с ошибками в формуле [4]. В частности, при определении количества горнового газа за счет влаги дутья.)
При определении теоретической температуры на основе теплового баланса исходят из энтальпии горнового газа, равной приходу тепла в зону горения:
QS = Vг*Cг* 1т,
где Qs — приход тепла в зону горения;
V-, сг — количество и теплоемкость горнового газа.
Совпадение результатов определения количества и состава горнового газа по разным методикам обусловлено материальным балансом. Теплоемкость смеси газов устанавливается количественным и качественным составом смеси и, что важно для дальнейшего, температурой. Это позволяет утверждать, что при одинаковых исходных данных для расчета получение различных значений 1р определяется разными значениями Qs и (или) температурными зависимостями сг.
На рисунке показаны температурные зависимости энтальпии (теплосодержания) дутья и горнового газа (сг- 1т), предлагаемые в расчетах по методикам [1], [4], [5].
800 900 1000 1100 1200 1900 2000 2100 2200 2300 2400
Температура, °С
— .[Ц * -[41 -■»[51 —[61
Рисунок Зависимость энтальпии дутья (ю = 21 %; ф = 0) и горнового газа (N2 = 65,3 %;
CO = 34,7 %) от температуры
Эти зависимости являются линейными вести сопоставлением с каноническим
и, по мнению авторов, достаточно точно расчетом по уравнениям (нелинейным),
аппроксимируют нелинейность связи. приведенным в справочниках по метал-
Оценку качества приближения можно про- лургической термохимии [6].
ISSN 2077-1738. Сборник научных трудов ГОУВПО ЛНР «ДонГТУ» 2017. № 8 (51)
_Металлургия и материаловедение_
Разница в расчетном теплосодержании дутья (гд = 1000оС) по разным методикам достигает 2 %, в расчетном теплосодержании горнового газа — до 3 %. Следует отметить удовлетворительное совпадение оценок влияния изменения основных параметров дутья на рассчитанную по разным балансовым методикам теоретическую температуру.
Полученные результаты показывают существенное влияние различия в используемых уравнениях температурной зависимости теплоемкости газов на величину теоретической температуры и, вероятно, отвечают на вопрос о главной причине несовпадения расчетных значений гт.
По нашему мнению, уверенность в сопоставимости и абсолютных значений теоретической температуры представила бы возможность качественного анализа
Библиографический список
результатов работы разных доменных печей.
Выводы и направление дальнейших исследований.
1. Используемые методики расчета определяют как различные значения теоретической температуры, так и ее изменения под влиянием изменений технологических параметров.
2. Результаты расчета по эмпирическим формулам существенно различаются по абсолютной величине, что делает их непригодными для сопоставительного анализа.
3. Показано существенное влияние различия в используемых уравнениях температурной зависимости теплоемкости газов на величину теоретической температуры, что может служить главной причиной несовпадения расчетных значений гт в разных методиках.
1. Дунаев, Н. Е. Расчеты теоретической температуры фурменных газов в доменной плавке на дутье с добавками, обогащенном кислородом [Текст] / Н. Е. Дунаев, Т. И. Кухтин // Сталь. — 1977. — № 7. — С. 600-604.
2. Анищенко, С. А. Расчёт теоретической температуры горения в горне доменной печи при вдувании пылеугольного топлива [Текст] / С. А. Анищенко, А. А. Томаш, В. П. Кравченко /В1сник Приазовського державного техмчного умверситету. Сер. Техмчм науки. — 2010. — Вип. 20. — С. 25-28.
3. Волков, Ю. П. Технолог-доменщик [Текст] : справочник / Ю. П. Волков, Л. Я. Шпарбер, А. К. Гусаров. — М. : Металлургия, 1986. — 263 с.
4. Кассим, Д. А. Определение теоретической температуры горения при вдувании в горн доменной печи природного газа и пылеугольного топлива [Текст] / Д. А. Кассим, В. П. Лялюк, А. К. Тараканов, Б. С. Листопадов, Д. В. Пинчук //Металлургическая и горнорудная промышленность. — 2016. — № 2. — С. 38-43.
5. Писи Дж. Г. Доменный процесс. Теория и практика [Текст] / Дж. Г. Писи, В. Г. Давен-порт. — М. : Металлургия, 1984. — 142 с.
6. Кубашевский, О. Металлургическая термохимия [Текст] / О. Кубашевский, С. Б. Олкок. — М. : Металлургия, 1982. — 392 с.
7. Клименко, В. А. Основы физики доменного процесса [Текст] / В. А. Клименко, Л. С. Токарев. — Челябинск : Металлургия, 1991. — 288 с.
© Новохатский А. М.
© Должиков В. В.
© Диментьев А. О.
© Падалка А. В.
Металлургия и материаловедение
Рекомендована к печати к.т.н., проф. каф. МЧМ ДонГТУКуберским С. В., нач. доменного цеха ПАО «АМК» Диментьевым В. И.
Статья поступила в редакцию 13.10.17.
д.т.н. Новохатський О. М., к.т.н. Должиков В. В., к.т.н. Дiментьeв О. О., Падалка О. В.
(ДонДТУ, м. Алчевськ, ЛНР)
ПРО Р1ЗН1 МЕТОДИ РОЗРАХУНКУ ТЕОРЕТИЧНО! ТЕМПЕРАТУРЯ ГОР1ННЯ
Проведено анал1з методик розрахунку теоретичног температури гортня палива в доментй ne4i для встановлення причин в1дмтност1 у результатах.
Ключовi слова: доменна тч, розрахунковi параметри доменног плавки, теоретична температура гортня палива, методи розрахунку теоретичног температури, теплоемшсть газiв.
Doctor of Tech. Sc. Novokhatskiy A. M., PhD Dolzhikov V. V., PhD Dimentiev A. O., Padalka A. V.
(DonSTU, Alchevsk, LPR)
VARIOUS METHODS FOR CALCULATING THEORETICAL TEMPERATURE OF COMBUSTION
Analysis has been given for theoretical temperature calculation methods upon fuel combustion in the blast furnace to determine the reason offinal results variations.
Key words: blast furnace, design parameters of blast furnace melting, theoretical temperature of fuel combustion, theoretical temperature calculation method, heat capacity of gases.
