CC BY
88
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ MACHINE BUILDING AND MACHINE SCIENCE
УДК.669.041 DOI 10.12737/10390
О взаимосвязи теплообмена и режима обжига при производстве извести во вращающейся печи* А. А. Ансимов1, Э. Э. Меркер2, А. Ю. Кем3**
1,2 Сгарооскольский технологический институт им. А. А. Угарова (филиал) НИТУ «МИСиС», г. Старый Оскол, Российская Федерация 3Донской государственный технический университет, г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация
On heat exchange - burning conditions relation in manufacturing lime in a rotary kiln ***
A. A. Ansimov1, E. E.Merker2, A. Y. Kem3**
1,2 Stary Oskol Technological Institute after A.A.Ugarov (NITU "MISiS" branch), Stary Oskol, Russian Federation 3 Don State Technical University, Rostov-on-Don, Russian Federation
Целью данной работы является исследование влияния температурных условий режима обжига известняка во вращающейся печи на показатели качества промышленной извести, используемой в сталеплавильном производстве. Предложена методика изучения условий теплообмена и характера изменения температуры сыпучего материала при распространении теплоты и температурных волн в полуограниченном пространстве вращающейся печи. Показано, что система уравнений, описывающих граничные условия процесса нагрева известняка лучистым тепловым потоком, значительно усложняется в случае параллельно действующего конвективного теплообмена. Для упрощения расчетов предложено совместный лучистый и конвективный теплообмен свести к конвективному (по форме), используя известные критериальные зависимости. Представлены результаты исследования теплообмена в системе «факел — известняк» с определением эффективной и оптимальной температур в зоне обжига. Экспериментально в лабораторных и производственных условиях установлено воздействие температурного режима во вращающейся печи на показатели качества извести. Установлена обусловленность шлакового режима расходом извести при электроплавке стали в дуговой печи. Сформулированы выводы о влиянии параметров тепловой работы печи на основные технологические процессы обжига карбонатного сырья при производстве промышленной извести. Определены оптимальные условия температурного режима печи для производства качественной извести с содержанием более 90 % СаО.
Ключевые слова: режим обжига, вращающаяся печь, промышленная известь, качество, тепловой поток, критериальные зависимости, теплообмен, сталеплавильное производство, электроплавка, дуговая печь, шлакообразование.
The work objective is to study the effect of the temperature lime burning conditions in a rotary kiln on the quality indices of the industrial lime used in the steelmaking. The methodology for studying the heat transfer conditions and the temperature behavior of the bulk material under the heat passage and temperature-waves propagation in the semibounded space of a rotary kiln is offered. It is shown that a system of equations describing boundary conditions of the limestone heating by the radiant heat flux becomes increasingly complicated in the case of the parallel con-vective heat transfer. To simplify the calculations, it is suggested to reduce the combined radiant and convective heat transfer to the convective one (in form) using the known criterial dependences. The investigation results of the heat transfer in the 'flame - limestone' system with testing apparent and optimum temperatures in the burning zone are presented. The thermal effect in the rotary kiln on the lime quality indices is specified experimentally under the laboratory and plant conditions. Conditioning of the slag adjustment by the lime consumption during the steel elec-trosmelting in an arc furnace is defined. Conclusions on the effect of the furnace thermal performance on the principle processes of the carbonate raw materials kilning in the industrial lime manufacturing are formulated. The optimal furnace temperature conditions for manufacturing quality lime with more than 90% CaO are specified.
Keywords: burning conditions, rotary kiln, industrial lime, quality, heat flux, criterial dependences, heat exchange, steel industry, electrosmelting, arc furnace, slagging.
Ö О T3
M
ХЛ
<U
>
Введение. Получение стали стандартно-высокого качества обеспечивается технологиями плавки соответствующего уровня [1]. Шлакообразование в сталеплавильных печах и при наведении шлака в ковшах во время внепечной обра-
*Работа выполнена в рамках инициативной НИР.
** e-mail: [email protected], [email protected], [email protected]
*** The research is done within the frame of the independent R&D.
ботки жидкой стали аргоном или азотом требует использования промышленной извести [2]. При этом основные технико-экономические показатели производства стали [3] во многом зависят от технологических решений по оптимизации расхода извести в процессе наведения шлака, а также от качества промышленной извести, используемой в сталеплавильном производстве. Эти показатели во многом зависят от температурных условий обжига известняка во вращающейся печи. Таким образом, исследование указанных условий, установление оптимальных режимов представляется важной научно-технической задачей.
Целью работы является исследование влияния температурных условий режима обжига известняка во вращающейся печи на показатели качества промышленной извести, используемой в сталеплавильном производстве. Экспериментальные результаты и их обсуждение. Исследования проводились на вращающихся печах обжига карбонатного сырья / известняка для получения промышленной извести, необходимой в металлургии. В частности, рассматривались производственные условия ОАО «Оскольский электрометаллургический комбинат» (ОЭМК) [4-5].
Действующая технология обжига во вращающейся печи предусматривает нагрев известняка до температур от 900 °С до 1300 °С. В этом случае происходит (с разной степенью интенсивности) термическая диссоциация исходного продукта по реакции: СаСО3 ^ СаО + СО2|. При этом для полного разложения карбоната кальция с получением 1 кг СаО теоретически требуется 100,09/56,08 = 1,786 кг СаСО3. Известно, что для разложения 1 кг СаСО3 требуется 1780 кДж теплоты, следовательно, для получения 1 кг СаО потребуется 1780 х 1,786 = 3185 кДж теплоты.
Основные показатели работы печи (производительность по извести, расход сырья, удельный расход топлива) определяются условиями теплообмена и параметрами обжига — в частности, температурами обжига извести (То.м., °С), уходящих газов (Тух., °С) и выгружаемой из печи извести (Тиз., °С), а также скоростью и давлением/разряжением газов, химическим составом газов и известняка.
При заданной/постоянной производительности существует зависимость между качеством обожженного сырья и параметрами тепловой работы печи [6-8], в значительной мере определяемая развитием теплообмена в полуограниченном рабочем пространстве вращающейся печи.
Известно [9], что система уравнений, описывающих граничные условия процесса нагрева известняка лучистым тепловым потоком, значительно усложняется в случае параллельно действующего конвективного теплообмена. Для упрощения расчетов предложено совместный лучистый и конвективный теплообмен свести к конвективному (по форме), используя известные критериальные зависимости.
Для изучения влияния условий теплообмена на характер изменения температуры сыпучего материала (карбонатного сырья) в печи использовали следующие критериальные зависимости:
Во = (q х G) / (Со х е х T4 х F);
Ск = (Re 0,8 х 1 х L х Тг) / (q х G); (1)
W = q / (с х шСр х Тг),
где Во — критерий Больцмана; Ск — энергетический критерий, учитывающий эффективность расхода газа в условиях и конвективного теплообмена; Re = ю х D/u (критерий Рейнольдса): ю — скорость газа в печи, м/с; D и L — диаметр и SC длина зоны горения в печи, м; u — кинематическая вязкость газа, м/с2, 1 — коэффициент теплопроводности газа g (1,630 Вт /(м-град. К); W — величина, характеризующая соотношение между падением температуры газа (после факе-§ ла) и подъемом температуры материала (Тм ^ max) в условиях противотока газа в печи; q — удельный расход тепла, § кДж/кг; G — производительность печи, кг/ч; со — коэффициент излучения абсолютно черного тела; е — приведенная степень черноты; Тг — теоретическая температура горения, К; F — поверхность теплообмена, м2; с — средняя ^ теплоемкость материала в печи (1,1 кДж/(кг х град. К); тср — средний удельный расход сырья в печи, кг/кг. <и Проведенными исследованиями между конечным содержанием (СаО, %) в извести и критериями Во и W достоверных щ взаимосвязей не установлено, несмотря на то, что конвективная составляющая (Ск) процесса оказывает меньшее влия-о ние на зону обжига с максимальной излучательной способностью факела. В этой связи представляется целесообраз-н ным ввести в качестве дополнительного параметра критерий качества обожженной извести в виде: Ксю = Тм(опт ) / Тэф. § Данное выражение представляет отношение оптимальной температуры (Тм(опт.),°С) обжига материала (известняка) g к усредненной (эффективной) температуре (Тэф, °С) в зоне обжига печи. При этом Тм(опт) / Тэф. > 1 наступает процесс пережога материала, а при Тм(опт) / Тэф. < 1 имеет место недопал (недожог).
Из критериального выражения (1) для величины W находим: q = W х с х тср х Тг. Подставив значение q в выражение для Во получим:
Во = W [(с X mm х G) / (сто ХЕХ Tl X F)]. (2)
ей
Из анализа выражения (2) следует, что при сужении зоны обжига в печи, повышении тср и Тг, стремлении величины Ж к максимуму растет значение Во, а это способствует увеличению параметров д и О работы печи, что согласуется с данными [6-8].
Обработка опытных данных по обжигу известняка во вращающейся печи позволила получить зависимость Тм(опт) / Тэф. = Во х Ж-1,73, учитывающую подогрев воздуха для горения топлива с заданным коэффициентом расхода, нагрев известняка отходящими газами в подогревателе и возврат пыли в печь.
Эффективную температуру (Тэф,°С) в зоне обжига печи находили по уравнению в виде:
Тэф. = [(ПКПД х Т 2 кал. 1 Т м. ) (Т ух. - Т м.)]
(3)
где Пкпд — значение КПД печи; Ткал — калориметрическая температура горения топлива, 0С; Тух — температура уходящих из зоны обжига газов, 0С; Тм — температура материала (извести) на выходе из печи, 0С.
Таким образом, представляется возможным определить температурный уровень Тм(опт.) нагрева известняка в зоне обжига вращающейся печи. С помощью компьютерной программы БТШППМШБ проведен расчет Тэф и Ксао с учетом данных по критериям Во, Ск, Ж. Кроме того, проанализированы результаты обжига сырья с оценкой эффективности теплообмена при работе вращающейся печи по теплотехнологическим показателям (д, О, Пк.п.д, Т и др.). Обработка данных функционирования вращающейся обжиговой печи в цехе обжига извести (ЦОИ) ОАО «ОЭМК» подтвердила влияние указанных факторов на эффективную температуру в рабочем пространстве агрегата при различных значениях коэффициента теплопередачи.
Приведенные на рис. 1 данные характеризуют взаимосвязь Тэф с параметрами технологического процесса обжига карбонатного сырья при производстве извести во вращающейся печи, а именно зависимость тдис.:
— от эффективной температуры (Тэф,0С) в зоне обжига известняка при различных значениях коэффициентов теплопередачи к, Вт/(м2 К);
— от потока газа теплоносителя (азот, скорость потока 0,055м/с) к поверхности материала.
Кроме того, представленные данные иллюстрируют характер зависимости Тм/Тэф. = f (Во; W), учитывающей соотношение падения температуры в конце факела газа и подъема температуры материала при противотоке в печи, вследствие протекания экзотермических реакций в потоке известняка.
0,90
Тм / Тэф
в
вко
с
£ г
и ы к
и ,
§ 2 ¡=т « о й ст о о « и дсв
<и р
т
12-
10- к=20 1
8- т
6- к=60 >
4- к=100*
2- к=160"
0-
900
1000
1100
1200
Тэф , °С
Рис. 1. Взаимосвязь параметров технологического процесса обжига карбонатного сырья
На основании полученных данных можно сделать следующий вывод. Для производства качественной извести [4, 5] режим обжига известняка во вращающейся печи должен обеспечивать:
— требуемую производительность агрегата;
— пониженный удельный расхода тепла;
— рациональный предел конечной температуры извести Тиз.(в),°С на выходе из печи при входе ее в холодильник агрегата [10].
Установлен характер влияния параметров температурного режима (рис. 2) в агрегате на свойства извести. При этом в качестве основы использован анализ данных:
— о работе вращающихся печей обжига известняка в ЦОИ ОАО «ОЭМК»;
— о проведенных лабораторных исследованиях.
и Й О тз
м
'й -м
хл
(и
а £ л
Рис. 2. Влияние температуры извести на содержание СаО (кривая 1) и потери при прокаливании (кривая 2)
Содержание СаО в извести достигает экстремума (более 90 %) (рис. 2, кривая 1) при температуре извести на выходе из вращающейся печи, Тиз.(В), равной примерно 780-800 °С. Допустимые потери при прокаливании (ПИП) в извести — около 4 % (рис. 2, кривая 2).
Проведенное исследование позволило установить (рис. 3, кривая 1) четкую зависимость, указывающую на достоверность взаимосвязи температуры извести на выходе из вращающейся печи Тиз(в) и температуры известняка в зоне обжига агрегата:
Тиз-к(о) : Тиз.(в) = 0,3945 Тиз-к(о) + 322,17; Я2 = 0,61.
Это позволяет осуществлять контроль содержания СаО в извести.
(и 5 I
и «
и
СП
0
1 5
3
ей
Щ
5 I
(и О
а н о о К 5
3
ей
С
о
в)( з. и
Н
820 800 780 760 740 720 700 680
Тиз.(в) = 0,3945 Тиз-к (о) + 4 + 322,17, Я2 = 0,61
900
950
7 6 5 4 3 2 1 0
1000 1050 1100 1150 1200 1250
9
о
а т с и
ирк р
е
а
Рч
Температура известняка в зоне обжига во вращающейся печи,
Тиз-к(о), °С
Рис. 3. Влияние температуры обжига на температуру извести на выходе из вращающейся печи (Тиз.(в) °С) (кривая 1) и размер кристаллов СаО, (М, мм) (кривая 2)
Установлено также влияние температуры обжига известняка (Тиз-к.(о),°С) на размеры кристаллов СаО (рис. 3, кривая 2) после обжига материала.
При определении оптимального расхода извести [2] в процессе электроплавки металлизованных окатышей в дуговой печи исходили из накапливающейся массы шлака (Gmji, кг) с учетом образующегося оксида железа (FeO) по формуле:
Ошя. = Ошл.(0)+ (Кок. X В/100 + V(FeO) + Кизв.) х (т - То), (4)
где бшл.(0) — количество шлака в печи в момент начала (то, с) подачи окатышей в ванну, кг; Кок — расход окатышей, кг/с; В — содержание пустой породы в окатышах (CaO и SiO2), %; Y(Feo) — суммарная скорость образования (FeO) в шлаке, кг/с; Кизв. — скорость подачи извести в печь, кг/с; т0 и т — начальное и текущее время по ходу плавки, с.
По ходу плавки окатышей необходимо поддерживать оптимальный уровень основности шлака (B = CaO/SiO2), подавая в печь соответствующее количество извести [3]. Для расчета из выражения (4) распишем массы CaO и SiO2в следующем виде:
CaO = (CaO)o + (Кок. х CaOoJ100 + КШв.) х (т - то), (5)
SiO2 = (SiO2)o + (Кок. х (Si^^/lOO + Кизв.) х (т - то), (6)
где CaOoK. и (SiO^™. — содержание этих оксидов в окатышах, кг; (CaO)0 и (SiO2)0 — начальная масса этих оксидов в шлаке перед подачей окатышей в печь, кг.
Одновременное решение выражений (5) и (6) позволяет получить величину оптимальной скорости подачи извести в дуговую печь по ходу электроплавки окатышей:
Кизв.(опт) = (В х (SO),« - CaOoк) х Кок/100 + (В х (SiO2)o - (CaO)o)/Cr - то). (7)
Таким образом, использование выражения (7) обеспечивает оптимальный расход извести, помещаемой в ванну дуговой печи. Это позволяет:
— экономить известь при электроплавке окатышей;
— воздействовать на интенсификацию процесса шлакообразования, ускорение процессов десульфурации и дефосфорации металла.
Таким образом, повышается производительность печи и улучшается качество стали.
Оптимизация же температурного режима обжига известняка во вращающейся печи влияет на содержание СаО в извести и, следовательно, на конечные показатели электроплавки стали. Выводы:
1. Установлены закономерности влияния параметров тепловой работы печи на основные технологические процессы обжига карбонатного сырья при производстве промышленной извести. Показано, что система уравнений, описывающих граничные условия процесса нагрева известняка лучистым тепловым потоком, значительно усложняется в случае параллельно действующего конвективного теплообмена. Для упрощения расчетов предложено совместный лучистый и конвективный теплообмен свести к конвективному (по форме), используя известные критериальные зависимости.
2. Предложено критериальное уравнение зависимости показателей качества извести от критерия B0 и числа W, позволяющее определять оптимальную температуру в зоне обжига печи в зависимости от условий производства. Определены оптимальные условия температурного режима печи для производства качественной извести с содержани- 2 ем более 90 % СаО. Установлена четкая корреляция Тиз.(в) = 0,3945Тш-к(о) + 322,17; R2 = 0,61. Она указывает на досто- -ц верность взаимосвязи температуры извести на выходе из вращающейся печи Тиз.(в), °С и температуры известняка в § зоне обжига агрегата Тиз-к(о), °С. Изучены закономерности влияния показателей качества извести на интенсификацию 2 процессов шлакообразования при электроплавке стали. Предложена методика, позволяющая оптимизировать присад- й
И
ки извести и улучшить в целом показатели процесса электроплавки стали. и
Библиографический список
1. Сталь на рубеже столетий / под ред. Ю. С. Карабасова. — Москва : МИСиС, 2001. — C. 664.
2. Исследование роли извести при шлакообразовании и внепечной обработке стали инертными газами / Д. А. Бахаев [и др.] // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. — 2013. — № 7/8 (75). — С. 35-42.
<и К
3. Кем, А. Ю. К вопросу об оптимизации выплавки стали в дуговой печи и ее внепечной обработки в агрегате «ковш-печь» / А. Ю. Кем, В. О. Казарцев, Э. Э. Меркер, Д. А. Харламов // Вестник Дон. гос. техн. ун-та. — 2014. — Т. 14, № 2 (77). — С. 66-71.
4. Нехлебаев, Ю. П. Экономия топлива при производстве извести / Ю. П. Нехлебаев. — Москва : Металлургия, 1987. — 136 с.
5. Бергауз, А. Л. Повышение эффективности сгорания топлива в печах / А. Л. Бергауз, Э. И. Розенфельд. — Ленинград : Недра, 1984. — 175 с.
6. Меркер, Э. Э. Совершенствование методики контроля параметров режима сжигания топлива во вращающихся печах / Э. Э. Меркер, Д. А. Харламов, A.A. Ансимов // Черная металлургия. Бюлл. НТИ. — 2011. — № 7. — С. 78-81.
7. Антонов, Г. Л. Особенности эксплуатации коротких вращающихся печей обжига известняка / Г. Л. Антонов // Сталь. — 2008. — № 9. — C. 97-99.
8. Гамей, А. И. Освоение технологии обжига известняка во вращающихся печах / А. И. Гамей // Черная металлургия. Бюлл. НТИ. — 2002. — № 6. — С. 3-5.
9. Фокин, В. М. Основы энергосбережения в вопросах теплообмена / В. М. Фокин, Г. П. Бойков, Ю. В. Видин. — Москва : Машиностроение, 2005. — C. 143.
10. Меркер, Э. Э. Повышение эффективности сжигания топлива во вращающихся печах обжига извести / Э. Э. Меркер, Т. В. Агаркова, В. В. Губин // Черная металлургия. Бюлл. НТИ. — 1995. — № 5. — С. 28-30.
References
1. Karabasov, Y. S., ed. Stal' na rubezhe stoletiy. [Steel at the turn of the century.] Moscow: MISSiS, 2001, 664 p. (in
Russian).
2. Bakhayev, D. A., Kochetov, A. I., Kem, A. Y., Ansimov, A. A Issledovanie roli izvesti pri shlakoobrazovanii i vnepechnoy obrabotke stali inertnymi gazami. [Investigation of the role of lime under slagging and inert-gas secondary steel refining.] Vestnik of DSTU, 2013, no. 7/8(75), pp. 35-42 (in Russian).
3. Kem, A. Y., Kazartsev, V. O., Merker, E. E., Kharlamov, D. A. K voprosu ob optimizatsii vyplavki stali v dugovoy pechi i ee vnepechnoy obrabotki v agregate «kovsh-pech'». [Optimization of steelmaking in electric arc furnace and ladle treatment in the ladle-furnace] Vestnik of DSTU, 2014, vol. 14, no. 2(77), pp.66-71 (in Russian).
4. Nekhlebayev, Y. P. Ekonomiya topliva pri proizvodstve izvesti. [Fuel saving in lime manufacturing.] Moscow: Metallurgiya, 1987, 136 p. (in Russian).
5. Berghaus, A. L., Rosenfeld, E. I. Povyshenie effektivnosti sgoraniya topliva v pechakh. [Improving the furnace fuel efficiency.] Leningrad: Nedra, 1984, 175 p. (in Russian).
6. Merker, E. E., Kharlamov, D. A., Ansimov, A. A. Sovershenstvovanie metodiki kontrolya parametrov rezhima szhiganiya topliva vo vrashchayushchikhsya pechakh. [Improving the parameter checking technique of fuel combustion conditions in rotary kilns.] Chernaya metallurgiya. NTI Bull., 2011, no. 7, pp. 78-81 (in Russian).
7. Antonov, G. L. Osobennosti ekspluatatsii korotkikh vrashchayushchikhsya pechey obzhiga izvestnyaka. [Special
E operation features of short rotary lime-burning kilns.] Steel, 2008, no. 9, pp. 97-99 (in Russian).
tt 8. Gamey, A. I. Освоение технологии обжига известняка во вращающихся печах. [Development of limestone
g burning technology in rotary kilns.] Chernaya metallurgiya. NTI Bull., 2002, no.6, pp. 3 -5 (in Russian). E 9. Fokin, V. M., Boykov, G. P., Vidin, Y. V. Osnovy energosberezheniya v voprosakh teploobmena. [Fundamentals
В of heat energy saving issues.] Moscow: Mashinostroenie, 2005, 143 p. (in Russian).
S 10. Merker, E. E, Agarkova, T. V., Gubin, V. V. Povyshenie effektivnosti szhiganiya topliva vo vrashchayush-
^ chikhsya pechakh obzhiga izvesti. [Improving the furnace fuel efficiency in rotary lime-burning kilns.] Chernaya metallurgiya.
g NTI Bull., 2005, no. 5, pp. 28-30 (in Russian).
<u О
a н о о к
^ Поступила в редакцию 08.09.2014
й Сдана в редакцию 09.09.2014
^ Запланирована в номер 28.01.2015
