1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Rating 0.00 (0 Votes)

Журнал "Теория и практика металлургии" №3 за 1998г.ISSN 1028-2335.

 

Математическое моделирование динамики образования гарнисажного слоя на крупногабаритных охлаждаемых модулях доменных печей 

Чеченев В.А. - первый заместитель генерального директора ОАО "Днепродомнаремонт", к.т.н., чл.-корр. АИНУ
Рядно А.А. - профессор Днепропетровского государственного университета, д.т.н.


        Построена математическая модель, описывающая процессы теплообмена при образовании слоя гарнисажа на охлаждаемых поверностях шахт доменных печей, позволившая оценить работоспособность новых конструкций систем охлаждения печи с помощью предварительно изготовленных крупногабаритных модулей из огнеупорного бетона, армированного стальными трубами.
        A mathematical model simulating heat exchange during formation of scull on cooled stack surfaces of blast furnaces was developed. The model enables assessment of new cooling system designs that use prefabricated large modules made of refractory concrete reinforced with steel tubes.

        Применение принципиально новых конструкций систем охлаждения шахт доменных печей с помощью предварительно изготовленных крупногабаритных модулей [1, 2] требует прогнозирования динамики образования гарнисажа на охлаждаемой поверности шахты, что необходимо для предотвращения аварийных ситуаций и управления тепловым процессом. Гарнисажный слой образуется из размягченных железорудных материалов и твердых частиц шихты при температуре в шахте выше 1150 °С на охлаждаемых внутренних поверхностях стенок шахт доменных печей, температура которых ниже 1150 °С. Изменения конструкции стенок, системы охлаждения шахты, температуры шихты приводит к изменению условий теплопередачи через стенку шахты доменной печи, что вызывает изменение толщины гарнисажного слоя и, следовательно, объема доменной печи ( до 10-15 %). При моделировании этого процесса не принималась во внимание конусность шахты доменной печи, так как угол отклонения образующей конуса от вертикали составляет приблизительно 5°. Стенка шахты рассматривалась, как многослойная цилиндрическая оболочка, на внутренней поверхности которой образуется гарнисаж с изотропными по объему свойствами. Принято также, что процесс теплообмена асимметричен и температура в горизонтальном сечении рабочего пространства печи и стенки шахты зависит только от радиуса печи r и времени t. В такой постановке не учитывались вертикальные тепловые потоки, которые, как известно [3], раз в 40 меньше радиальных.
        Пусть функции T1(r, t) и Т2(r, t) описывают распределение температур в расплаве шихты и стенке шахты доменной печи, соответственно. Для определения этих функций необходимо рассмотреть процесс совместного теплоперено-са в системе шихта - гарнисажный слой - цилиндрическая стенка шахты доменной печи. В общем случае распространение теплоты в такой системе описывается сопряженными уравнениями баланса энергии в шихте, гарнисажном слое и стенке шахты доменной печи. Так, температура потока расплава шихты определяется уравнением энергии при наличии внутренних источников теплоты с объемной плотностью qv за счет объемных химических реакций



        Уравнение теплопроводности в многослойной цилиндрической стенке шахты доменной печи (металлический кожух, теплоизолирующий слой асбеста, слой огнеупорного бетона), без выделения в явном виде элементов внутреннего охлаждения (труб), запишется в обобщенном виде





        Итак, получена система взаимосвязанных уравнений, состоящая из квазилинейных уравнений параболического типа (9), (10) с граничными и начальными условиями (11)-(17), Очевидно, что ввиду нелинейности уравнений и граничных уcловий аналитическое решение задачи в общем случае получить невозможно. Наиболее целесообразен, поэтому, конечноразностный метод решения [9] поставленной задачи. Введем в рассмотрение неравномерную координатную сетку, узлы которой совпадают с границами области. Такие же дискретные промежутки с шагом t будем рассматривать во времени. Для построения разностной схемы воспользуемся интегроинтерполяционным методом [9]. Тогда конечноразностный аналог уравнений (9), (10) на шеститочечном шаблоне (неявная схема) сводится к следующим уравнениям для определения (s+1)-й итерации температурных сеточных функций на (l+1)-м временном слое:



        С использованием полученных формул составлен алгоритм решения поставленной задачи, который реализован в виде программы расчета температур по толщине стенки шахты доменной печи и динамики образования гарнисажного слоя , написанной для IBM PC AT на языке Фортран.
        Для анализа динамики образования гарнисажного слоя, оценки возможных тепловых потоков на внутренней поверхности крупногабаритных охлаждаемых модулей доменных печей проведены серии расчетов теплового состояния стенок шахты. В расчетах полагали, что охлаждение стенок печи организовано таким образом, чтобы температура наружной поверхности шахты печи была постоянной. Рассматривалось два сечения шахты - середина R0=4.483 м и низ R0=5.282 м, с известными температурами рабочего пространства (шихты) на оси симметрии шахты равными 1200 °С и 1400 °С, соответственно.
        На рис.1 и рис.2 показано влияние интенсивности внутреннего охлаждения стенок шахты на изменение толщины слоя гарнисажа: при полностью сохраненной (в нижнем поперечном сечении шахты, рис.1) и частично разрушенной (в среднем поперечном сечении шахты, рис.2) бетонной изоляции.



        Результаты расчетов хорошо согласуются с имеющимися экспериментальными данными [2]. Разработанная математическая модель позволяет также оценивать потери тепла с охлаждающей водой, которые характеризуются количеством тепла, отводимого от печи через 1 м поверхности стенки печи в единицу времени. Для исследуемой конструкции плотность этих тепловых потоков в стационарном режиме работы, рассчитанная с учетом гарнисажа, составляет "2000-3000 Вт/м2, т.е. не превышает значений минимальных плотностей тепловых потоков [3] на холодильники действующих печей, это позволяет сделать вывод о возможности применения новых конструкций холодильников без увеличения расхода охлаждающей воды.







ЗАКЛЮЧЕНИЕ

        Разработана математическая модель для оценки динамики роста гарнисажа на стенке крупногабаритных охлаждаемых модулей шахты доменной печи.
        Результаты расчетов согласуются с экспериментальными данными на действующих доменных печах.
        Применение крупногабаритных охлаждаемых модулей в конструкции стенки шахты доменной печи обеспечивает высокую эффективность охлаждения без увеличения расхода хладагента.


БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

        1.Опыт применения крупногабаритных охлаждаемых модулей на доменных печах / С.Т.Плискановский, Е.А.Царицын, В.А.Чеченев и др. // Сталь. - №2. - 1997. - С.9-13.
        2.Чеченев В.А. Совершенствование конструкций элементов системы охлаждения шахт доменных печей. - Днепропетровск: Системн_ технологи, 1998. -41 с.
        3.Зайцев Ю.С., Филипьев О.В. Новые технические решения в охлаждении шахт доменных печей. - Харьков: Основа, 1992. -225 с.
        4.Ильченко К.Д. Розенгарт Ю.И. Берман Р.Л. Исследование теплофизических свойств доменных гарниссажей //Металлургическая и горнорудная промышленность. -1979. -№1. -С.38-39.
        5.Ильченко К.Д. Розенгарт Ю.И. Исследование динамики плавления и образования гарниссажа // Металлургия и коксохимия. - 1982. - №76. - С.93-97.
        6.Будак Б.М., Гольдман Н.Л..Успенский А.Б. Разностный метод со сглаживанием коэффициентов для решения задач Стефана // Журн. вычисл. математики и матем. физики. - Т.5 (1965). - №5. - С.828-840.
        7.Самарский А.А. Моисеенко Б.Д. Экономическая схема сквозного счета для многомерной задачи Стефана //Там же. -С.816-827.
        8.Кремер Г.Д., Зелигмюллер Г.Т. Физико-теоретические основы охлаждения доменных печей. С.7-14.
        9.Рядно А.А., Миносян Я.П. Сопряженные задачи теплопереноса в системах тел с подвижными границами. - Днепропетровск: ДГУ, 1983. -116 с.