Введение к работе
Актуальность проблемы. Масштабность производства металла черной металлургией России и ее роль в мировом разделении труда определяют приоритетное значение доменного процесса в системе производства металла сегодня и яа дальнюю перспективу. Поскольку развитие страны в последние годы характеризовалось как экстенсивное, то это коснулось и доменного производства, что сопровождалось увеличением числа агрегатов Оолыпой единичной мощности, интенсификацией плавки, осуществляемой за счет перерасхода топлива. Новая концепция развития металлургии до 2005 года и на дальнейшую перспективу предусматривает сокращение вы -плавки чугуна за счет ликвидации устаревших агрегатов и повышения экономичности работы остальных доменных печей при одновременном улучшении качества выплавляемого чугуна, повышении требований к экологии и безопасности. Применительно к доменному производству задача конкретизируется в направлении дальнейшего снижения расхода кокса на выплавку чугуна, повышения, эффективности использования заменителей кокса, сокращения расхода энергии на интенсификацию плавки за счет улучшения эффективности использования ин-тенсификаторов, совершенствования методов контроля и управления работой доменных печей, а также повышения надежности их работы.
Как показывает отечественный и мировой опыт, резервы доменной плавки использованы не полностью и реализацил их является задачей первостепенной важности, поскольку более половины топли-ва, используемого черной металлургией, приходится именно, на доменное производство. В связи с этим следует отметить, что большая часть пути эволюционного развития доменного процесса уже пройдена, поэтому возрастают трудности его дальнейшего совершен-
ствования, что присуще всем сложным техническим системам.. Дальнейшее совершенствование технологии выплавки чугуна возможно только при всестороннем и-глуооком исследовании доменного процессе в современных условиях плавки, а поэтому развитие теорш теплооомена и изыскание теплотехнических резервов доменной плавки являются актуальными.
Цель работы. Исследование и анализ закономерностей тепло-оомена в современной доменной плавке и разработка на этой основе перспективных направлений совершенствования теплоооменных процессов, обеспечивающих улучшение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов и повышение надежности работы доменных печей.
На защиту выносятся следующие основные положения диссертационной работы, включающие результаты исследований, практические рекомендации и технические разработки.
I.Новые методы исследования процессов теплообмена, распределения материалов и газов в доменных печах, основанные на закономерностях теплооомена и движения газа в плотном слое, а также комплекс измерительных схем контроля технологических параметров доменной плавки и результаты опытно-промышленных испытаний этих систем.
2.Результаты анализа явлений теплооомена в плотном слое с целью оценки представительности температурных полей для контроля неравномерности процессов теплооомена в доменных печах, а также методика выоора оптимального местоположения датчиков контроля неравномерности распределения потоков материала и газа по радиусу печи, способы прогноза температурных полей газа и материалов в ооъеме шахты доменной печи по данным контроля параметров в ло-
.-5-
кальных участках слоя и результаты их опытно-промышленных
испытаний. ' -
3.Результаты экспериментальных исследований и обобщений закономерностей теплообмена на действующих доменных печах, работающих по современной технологии, при плавке различного вида железорудного сырья, использовании комбинированного дутья высоких параметров с учетом неравномерности распределения материалов и газов.
4.Результаты расчетно-теоретических исследований закономерностей переходных процессов теплообмена в противоточно движущемся продуваемом плотном слое и применение их для анализа особенностей нестационарных процессов теплообмена в различных зонах печи, осложненных многокомпонентностью шихты и наличием газ-кидких-твердых фаз.
5.Комплекс математических моделей стационарного и нестационарного теплообмена футеровки с печной средой и решение обратной задачи теплопроводности с целью диагностики состояния футеровки по ее температурному полю, в также комплекс новых спосооов диагностики состояния футеровки доменных печей, основанных на закономерностях теплообмена, позволяющих контролировать толщину футеровки, тепловые нагрузки на футеровку и холодильники,' прогнозировать температуры рабочей среди вблизи футеровки, результаты опытно-промышленных испытаний системы диагностики состояния футеровки.
б. Усовершенствованная система контроля теплового состояния фурменной зоны доменной печи по измерениям температур передней стенки воздушных фурм и способ прогноза теплового состояния горна. Результаты оштно-промыиленных испытаний этой системы.
- fa -
7.Методология постановки и метод решения звдач оптимального распределения топливно-энергетических ресурсов в группе доменных печей с использованием основных положении теории оптимизации технических систем, методы оценки эффективности использования инжектируемого через воздушные фурмы топлива и технологического кислорода с учетом лимитирующих и ограничивающих факторов, основанные на положениях теории теплообмена в доменних печах, а также результаты исследовании и внедрений по их оптимальному распределению.
Научная новизна основных результатов, полученных автором в ходе решения поставленной проблемы, проявилась в следующих разработках и научных достижениях:
разраоотана методика выоора горизонта по высоте печи, имеющего максимальную чувствительность к неравномерности распределения материалов и газов, а также метода контроля, неравномерности их распределения на колошнике печи, основанные на закономерностях стационарного и нестационарного тешюоомена в верхней части шахты;
решена задача оценки показании термоэлектрического термометра в слое кусковых материалов, на основании которой разраоотан и опрооован в промышленных условиях метод раздельного контроля температурных полей газа и материала в слое шихтовых материалов. Разраоотан и опрооован в промышленных условиях метод параметрической идентификации процесса теплообмена, позволяющий контролировать коэффициент теплообмена в слое кусковых материалов, г такке метод прогноза температурных полей газа и материалов в объеме шахты печи по измерениям локальных параметров в слое кусковых материалов;
экспериментальными исследованиями на различных доменных пе-ах, вьшолнешшх автором с использованием новых методов контро-я, и сообщением результатов теоретических и экспериментальных сследований других авторов установлена справедливость в целом хеш теплообмена, предложенной Б.И.Китаєвим и развитой в раоо-ах его коллег, и для современной технологии домешюй плавки при уществуидей неравномерности распределения материалов и газов;
проанализированы оощие закономерности переходных процессов зшюоомена в противоточно движущемся продуваемом плотном слое ускоЕых материалов, а также осооенности переходных процессов эплооОмена в отдельных зонах печи, обусловленные компонентно -ыо шихты, наличием газ-жидких-твердых фаз, теплопроводности поя материалов;
разработан комплекс математических моделей стационарного и эстационарного, одномерного и двумерного теплообмена футеровки
печной средой, дано решение обратной задачи нестационарного зплообмена футеровки с печной и охлазадээдей средами, позволив-а предложить новые методы диагностики футеровки печи по ее їмпературному полю;
- подтверждена возможность контроля теплового состояния фурмен-
)й зоны и прогноза теплового состояния горна по измерениям тем-
фатуры передней стенки воздушных фурм;
разработан метод анализа эффективности использования инжекти-гемых топлив, технологического кислорода в доменных печах с іетом ограничивающих и лимитирующих факторов, решена задача оп-мального распределения природного газа и технологического кис->рода между печами доменного цеха с использованием основных по-іжения тсрии оптимизации технических систем.
- a-
Пвактрческая ценности исследования связана с разработкой и опробованием в промышленных условиях методов, измерительных схем контроля параметров в слое кусковых материалов, использованием закономерностей теплообмена при совершенствовании технологии доменной плавки и с решением задач оптимального распределения топливно-энергетических ресурсов мезду печами доменного цеха, прогнозированием температурных полей в шахте, а также с разраооткой и внедрением методов диагностики состояния огнеупорной футеровки доменных печей и теплового состояния фурменной зоны. Под руководством и при непосредственном участии автора достигнуты следующие основные результаты:
предложен и реализован комплекс способов, устройств контроля процессов теплообмена, распределения материалов и. газов, а также методика выбора горизонта установки датчиков температуры для контроля неравномерности потоков в шахте доменной печи, метод прогноза и контроля температурных полей газа и материалов в шахте доменной печи;
выявлены общие закономерности процессов теплообмена в доменных печах при современной технологии доменной плавки с учетом неравномерности распределения материалов и газов, которые должны учитываться при выборе параметров дутья (температура, состав), шихтовых материалов, при оценке эффективности заменителей кокса, систем загрузки материалов;
.- предложены и реализованы новые методы- диагностики состояния футеровки доменных печей, позволяющие контролировать толщину футеровки и тепловые нагрузки на холодильники;
- реализован метод контроля теплового состояния фурменной зоны
и способ прогноза тешгоього состояния горна по измерениям темпе-
- Э -
ратур носкв воздушных фурм;
г предложены и реализованы методы оптимального распределения инжектируемого топлива и технологического кислорода в группе доменных печей с учетом ограничений на ооъем и вид используемых топливно-энергетических^ ресурсов, производства чугуна и теплового состояния каждой из печей рассматриваемой группы;
- предложены и реализованы методы управления параметрами комби
нированного дутья по ходу выпуска чугуна и шлака, позволяющие
стабилизировать во времени теплооомекные, восстановительные и
газодинамические процессы.
Реализация результатов раооты. Результаты экспериментальных и теоретических исследований явились фундаментальной основой для технических решений, позволяющих усовершенствовать технологию доменной плавки, внедренную в условиях раооты доменных цехов ММК и КШК с экономическим эффектом 58 млн. руб.^ в том числе до 1Э91 года - 1,3 млн.руо.
Эти результаты включают:
комплекс спосооов и устройств, разраоотанных для исследования и контроля доменного процесса, позволяющих определять поля температур газа и материалов, распределение материалов и газов, рассчитывать коэффициент теплообмена, контролировать состояние газоотводов, прогнозировать и контролировать температурные поля материала и газа в ооъеме шахты и разраоатывать рекомендации по совершенствованию теплового режима доменной плавки, по распределении материалов и газов при плавке различного Еида сырья с учетом- циркуляции цинка в печи и других факторов;
автоматизированные подсистемы оптимального распределения природного газа, технологического кислорода в группе доменных
печей, позволяющие выбирать оптимальные параметры комбинированного дутья в различных' технологических ситуациях раооты отдельных печей;
новую систему диагностики состояния футеровки низа шахты доменных печей, позволяющую непрерывно контролировать тепловые нагрузки на футеровку и холодильники и толщину футеровки;
усовершенствованную систему контроля температур в передне! стенке воздушных фурм доменных печей, позволящую контроліфоваті тепловое состояние фурменного пояса и прогнозировать теплово* состояние горна-;
комплекс систем динамического управления параметрами комбинированного дутья по ходу выпуска чугуна и шлака с целью стабилизации во времени тешюооменных,. восстановительных и газодинамических процессов.
Результаты научных исследовании внедрены в учебный процес в ЛТУ-УПИ при преподавании дисциплин "Автоматическое управленії металлургическими печами", "Элементы теории систем и численно моделирование процессов тепло- и массооомена".
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и ос-сув дены на 9 Международных, II Всесоюзных и 9 Республиканских кон ференциях, совещаниях и семинарах, основные из них следующие:
- Международного уровня. Симпозиум "Аэродинамике доменног процесса", Воллонгонг /Австралия/, 1975; 6-я конференция домеї; киков "Еитковице - 1979", Острава /ЧССР/, 1979; 8-я конференцій доменщиков "Витковице-1Э89,\ Острава /ЧССР/, 1989; конфзренщ "Новые и усовершенствованные технологии для окускования сыры производства чугуна и ферросплавов", Варна /НРБ/, 1990; конфс ренцня "Металлургия-92", Краков /Польша/, 1992; 1-я конференщ
-li-
no газ-жидким-твердш промышленным реакторам, ОтаЯо-Яолумбус /ОМ/, 1992; конгресс доменщиков, Тула/Россия/, 1992; семинар "Научные осноеы конструирования металлургических печей: теплотехника и эколо'гия", Днепропетровск /Украина/, 1993; конференция " Черная металлургия России и стран СИГ в XXI веке ", Москва /Россия/, 1994.
Всесоюзного уровня. "Проблемы автоматизированного управления доменным процессом", Киев, с 1973 по 1983 гг.; Жданов, 1985; "Теория и практика современного доменного производства", Днепропетровск, 1983; "Совершенствование теплотехники металлургических процессов и агрегатов", Свердловск,1983; "Моделирование процессов в шахтных и доменных печах", Свердловск, 1988; "Средства и системы автоматического контроля и управления технологическими процессами и газоочисткой в металлургии", Свердловск, 1991.
Республиканского уровня. "Проблемы тепловой работы ме--таллургических печей", Днепропетровск, 1978; "Обобщение передового опыта по автоматизации доменного производства ", Н-Тагил, 1975; "Вопросы совершенствования тепловой работы- и конструкции металлургических печей", Днепропетровск, 1981; "Газодинамика и механика движения материалов в шахтных печах", Свердловск, 1986; "Теория и практика тепловой работы металлургических печей", Днепропетровск, 1988; "Пути улучшения газомеханики металлургических шихт", Караганда, 1987, 1990; "Эффективность внедрения новых технологических процессов в металлургии", Свердловск, 1986.
Кроме того, материалы диссертационной работы доложены и обсувдены на II региональных конференциях по теплотехнике металлургических переделов и металлургии чугуна, на заседаниях техни-
ческих советов доменных цехов Магнитогорского и нижнетагильского металлургических комбинатов с 1971 по 1993 гг., научных семинарах кафедры "Металлургические печи" УГГУ-УІШ, а также в лаборатории тепло- и массообмена ВНИИЫТ.
Публикации. Материалы диссертации опубликованы в монографии, вторая монография находится в печати; 82 статьях и докладах; по результатам исследований получено 10 авторских свидетельств и патентов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 315.наименований и прило' жения. Работа изложена на 424 стр. машинописного текста, включая 93 рисунка и 13 таблиц.