CC BY
25
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНРШОГО УНШЕРСИТЕТУ
2002 р
Вип. № 12
ТЕХН14Н1 НАУКИ
МЕТАЛУРГЮ
ЗДЕС 669.162.263
Томаш А.А.*
ПОТЕРИ НАПОРА ГАЗА В КОКСОВОЙ НАСАДКЕ СО СТЕКАЮЩИМ
РАСПЛАВОМ
Для условий заплечиков доменной печи, где столб шихты формируется из кускового кокса и стекающих в горн жидких продуктов доменной плавки, проведен анализ влияния на порозностъ слоя и потери напора газа различных факторов: объёмамежкус-ковых пустот коксовой насадки, количества, плотности и вязкости расплава
При разработке известных математических моделей распределения статического давления газа по высоте рабочего пространства доменных печей [1] не решена задача расчёта потерь напора газового потока в заплечиках. В нижних горизонтах доменной печи железорудные материалы находятся в виде расплава, стекающего по поверхности кусков кокса и частично заполняющего объём его межкусковых пустот. Порозностъ слоя е определяется порозносгью
При анализе строения зернистых слоев межкусковые пустоты, по которым движется газ, традиционно представляют в виде цилиндрических изогнутых каналов переменного сечения [2]. Следуя традиционному подходу, с учётом ламинарного режима течения шлака, можно определить изменение скорости расплава V в поперечном сечении каналов [3]
У=(Ар/4т}к)(г2-хг), (2)
где Др/Ь - градиент давления жидкости, Па/м; т| - динамическая вязкость расплава, Па*с; г - радиус канала, м; х - пасстояние сгг оси канала, м.
Согласно (2) скорость течения расплава непосредственно на поверхности кусков кокса равна 0 и увеличивается по мере приближения к оси канала. Наибольшая скорость течения наблюдается на поверхности расплава, расположенной на расстоянии Хо от оси канала. Средняя скорость течения жидких продуктов плавки составит
.УО_
Я:(гг -х1) Ъф
у = А_^Ар(г2-4) {3)
Радиус межкусковых каналов, расстояние от оси канала до поверхности стекающего расплава, порозность слоя и коксовой насадки связаны пропорцией
х11гг=<111й1=е1ек, (4)
где с1к и (!,, - диаметр свободных межкусковых каналов и пустот, частично заполненных расплавом.
Связь между диаметрами каналов и кусков кокса Л выражается известной формулой [2]
ёк=екФсИ(\~ек), (5)
где Ф - фактор формы кусков кокса, Ф = 0,7 + 0,8.
Градиент давления стекающей жидкости возникает под действием силы тяжести Лр/Ъ = С учётом последнего выражения после подстановки уравнений (4 и 5) в формулу (3) средняя скорость течения расплава в коксовой насадке составляет
v=pgd202e2K{\-eieK)
(6)
Ъ2г}(\-£к)2
После подстановки значения V в уравнение (1) и преобразования полученного выражения значение порозности слоя кокса со стекающим расплавом равно
1-е*
е = ек-
_ 32G^
йФр V Ag£K
(7)
По данным [2] жидкий шлак занимает примерно 0,013 - 0,014 м3/м3, что составляет 3 - 4 % межкускового объёма пустот в коксовой насадке, т.е. порозность кокса без шлака составляет 0,35 - 0,40 м3/м3. Близкие результаты получены при расчётах по формуле (7) при следующих исходных данных: порозность кокса £К = 0,37 м3/м3, крупность кусков кокса d = 25 мм, плотность шлака р = 2600 кг/м3, площадь сечения рабочего пространства А = 73,3 м2 (см. рис). С увеличением выхода и вязкости шлака и снижением его плотности порозность слоя кокса со стекающим шлаком уменьшается, а объём пустот, занимаемый шлаком, может увеличиваться с 0,008 до 0,035 м3/м3. Современная доменная печь полезным объёмом 1719 м3 на Украине работает с выходом шлака G^ — 15,6 - 18,5 кг/с. Вязкость доменного шлака г) уменьшается с 4,0 Па*с при температуре 1214 - 1290 °С до 0,17 - 0,24 Па*с при 1500 °С [4]. При средней вязкости 0,5 - 1,0 Па*с промежуточный шлак занимает 0,013 - 0,018 м3/м3 объёма коксовой насадки. Чугун занимает в слое кокса не более 2,3*10^ - 4,6* 10"4 м3/м3 из-за высокой его плотности, 6840 кг/м3, и низкой вязкости, 1,45*10'3 - 1,75*10"3 Па*с [4]. Его незначительным влиянием на порозность коксовой насадки в заплечиках можно пренебречь, ограничившись учётом объёма шлака.
0,035
1 0,03 я
2
g 0,025 э
£
К 0,02
S 0,015
I
с
d001
0,005
----------- -------
0,3 ПЛ
10 12 14 16 18 Выход шлака, кг/с
20
Рис. - Объём коксовой насадки, занятый стекающим шлаком в заплечиках доменной печи
Расчёт перепада статического давления газа ДР в пустотах слоя высотой Н со стекающим расплавом можно производить по уравнению Дарси - Вейсбаха [2]
ЬР = Л(Н!<1пе2)(рги1 /2), (8)
где X - коэффициент сопротивления проходу газов в пустотах, частично заполненных расплавом;
рг - плотность газа, кг/м3; Ц) - приведенная скорость газа, м/с. Неизвестное значение диаметра пустот можно заменить средним размером кусков кокса, пользуясь соотношением, вытекающим из (4) и (5)
йп = <1Ф^Гк1(\-ек) (9)
После преобразований уравнение Эргона для расчёта потерь напора газа в слое кокса со стекающим расплавом приобретает вид
H(l~eK)prU20
~ . -> i П i _ „ J
а е2'5£°/ 2Ф ' {,0)
где 4х - коэффициент сопротивления проходу газа в слое, заменяющий коэффициент А, при переходе от цилиндрических межкусковых каналов к реальному зернистому материалу [2].
В соответствии с уравнениями (7) и (10) шлаковый режим оказывает существенное влияние на потери напора газа в нижней части доменной печи. Увеличение вьгсода шлака с 450 до 550 кг/т чугуна и средней вязкости промежуточного шлака с 0,75 до 1,5 Па*с приводит к повышению расчётного перепада давления газа в заплечиках с 16,5 до 17,7 кПа. Решающее влияние на газопроницаемость коксовой насадки оказывает механическая прочность кокса. При разрушении непрочного кокса уменьшается средний размер его кусков и порозность насадки. Уменьшение крупности кусков кокса с 25 до 20 мм и порозности насадки с 0,37 до 0,35 м3/м3 приводит к увеличению расчётногч перепада давления газа с 16,5 до 26,1 кПа. Мелкие частицы кокса, попадая в шлак, увеличивают его вязкость. Поэтому снижение газопроницаемости нижней зоны доменной печи при непрочном коксе может быть ещё более значительным.
Выводы
1. В заплечиках доменной печи шлак, занимая часть объёма межкусковых пустот коксовой насадки, снижает её порозность на 0,013 - 0,018 м3/м3. Объём пустот, занимаемый шлаком, увеличивается с увеличением его выхода и вязкости и снижением плотности расплава. Объём пустот, занимаемый чугуном, незначителен, 2,3*10"4 - 4,6*10^ mVm3.
2. На газопроницаемость столба шихты в нижних горизонтах доменной печи решающее влияние оказывают механическая прочность кокса и шлаковый режим. Снижение прочности кокса влечёт увеличение сопротивления проходу газов в заплечиках более чем на 60 %.
Перечень ссылок
1. РаммА.Н. Современный доменный процесс. -М.: Металлургия, 1980. - 303 с.
2. Тарасов В.П. Газодинамика доменного процесса. - М.: Металлургия, 1990. - 216 с.
3. Каминер A.A., Яхно О.М. Гидромеханика в инженерной практике. - К.: Техника, 1987. -
175 с.
4. Доменное производство: Справочник в 2-х т. - ТЛ. Подготовка руд и доменный процесс. -М.: Металлургия, 1989.-496 с.
Томаш Александр Анатольевич. Канд. техн. наук, доцент кафедры металлургии чугуна, окончил Мариупольский металлургический институт в 1987 году. Основные направления научных исследований - совершенствование агломерационного и доменного процессов и снижение энергетических затрат на выплавку чугуна; изучение закономерностей движения зернистых материалов и газов в противоточных реакторах.
И
Статья поступила 24.01.2002
