Закономерности формирования зоны переувлажнения окатышей на обжиговой конвейерной машине тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.02, кандидат технических наук Солодухин, Андрей Александрович

• Солодухин, Андрей Александрович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Солодухин, Андрей Александрович

1.1. Актуальность работы

Качественное изменение сырьевой базы основных переделов черной металлургии за счет увеличения в шихте материалов с высокой добавленной стоимостью обусловило повышение требований к металлургическим свойствам железорудных окатышей, как для доменного производства, так и для металлизации. Ужесточение требований определяет необходимость корректировок в технологии производства окатышей, начиная со стадии сушки. Опыт эксплуатации действующих обжиговых машин убедительно показывает, что именно эффективность работы зон сушки является определяющим фактором в обеспечении требуемых характеристик окатышей. Задача увеличения производительности эксплуатируемых в России обжиговых машин, в частности, интенсификации режима сушки окатышей в последние десятилетия становится актуальной. Для её решения целесообразно привлечь кинетические закономерности процессов сушки и переувлажнения.

Определение эффективных путей интенсификации производства, с непременным повышением качественных характеристик обожженных окатышей, может быть достигнуто путем детальных исследований процессов сушки окатышей и их переувлажнения методами математического моделирования, которые по сравнению с физическим моделированием обладают очевидными преимуществами в выборе характеристик материала, параметров теплоносителя и схем их взаимодействия.

Результативность мероприятий по модернизации обжиговых машин, проводимых в настоящее время на многих горно-обогатительных комбинатах, и достижение проектных технико-экономических показателей связано в первую очередь с рациональной организацией работы зон сушки.

1.2. Цель работы

Целью исследований является разработка способов уменьшения переувлажнения слоя окатышей при различных тепловых схемах зоны сушки обжиговой машины и выработка рекомендаций для фабрик окомкования различных горно-обогатительных комбинатов России. Для достижения указанной цели были выделены следующие задачи:

- развитие математической модели слоевой сушки с учетом протекания в слое процессов переувлажнения, образования свободной влаги и переноса ее по высоте слоя, а также возникновения и существования «дождя» в зоне с продувом теплоносителя;

- исследование закономерностей развития процессов переувлажнения в слое в зоне сушки с помощью адаптированной математической модели с учетом влияния физических свойств сырых окатышей и параметров слоя, а также влияния параметров теплоносителя на характеристики переувлажнения;

- определение возможности уменьшения переувлажнения слоя окатышей на обжиговых машинах, в том числе за счет выбора режима сушки и изменения тепловой схемы, оперируя макропараметрами объекта исследования (физическими характеристиками газа и материала) как принципиальными характеристиками при изменении схемы термообработки.

- разработка на основании проведенных исследований способов уменьшения переувлажнения слоя окатышей при различных тепловых схемах зоны сушки обжиговой машины и выработать рекомендации по изменению этой зоны для фабрик окомкования различных горнообогатительных комбинатов России.

Объект исследования - технология термообработки железорудных окатышей на обжиговой конвейерной машине.

Предмет исследования - процессы сушки и переувлажнения слоя окатышей.

1.3. Научная новизна

- впервые описаны условия возникновения потока капельной влаги над слоем при продуве теплоносителя и разработан математический инструмент для оценки влияния различных факторов на интенсивность «дождя» при сушке окатышей;

- установлены закономерности и специальные характеристики процессов переувлажнения, которые затем включены в существующую общую математическую модель термообработки окатышей;

- выявлены связи параметров теплоносителя в зонах сушки на обжиговой машине со свойствами сырых окатышей, структурой слоя и эффективностью работы машины;

- определены на основе модельных исследований практически применимые условия уменьшения степени переувлажнения окатышей посредством оптимизации тепловой схемы обжиговой машины.

1.4. Практическая значимость работы

Математическая модель термообработки слоя окатышей, дополненная закономерностями сушки и переувлажнения, обеспечила возможность исследования процессов тепло- и массообмена, совершаемых в рамках единого теплового агрегата в соответствии с технологическими стадиями.

1.5. Реализация результатов

Результаты экспериментальных и расчетно-аналитических исследований использованы при разработке технических заданий на модернизацию тепловых схем действующих обжиговых машин ОАО «Михайловский ГОК», ОАО «Карельский окатыш», ОАО «ЕВРАЗ Качканарский ГОК».

Усовершенствованная модель термообработки слоя окатышей применена в расчетах новых тепловых схем обжиговых машин, реализуемых на предприятиях России, Казахстана, Ирана, Индии.

1.6. Методы исследования

При организации лабораторных исследований процессов сушки железорудных окатышей были использованы принципы физического моделирования слоевых процессов. Опытно-промышленный эксперимент технологии спекания выполнен на действующем производстве. Измерения осуществляли стандартными приборами, прошедшими государственную поверку, что определило достоверность полученных результатов. При обработке экспериментальных данных использован расчетно-теоретический анализ, основу которого составили положения теории тепло- и массообмена и теории металлургических процессов, закон сохранения энергии, при этом противоречий известным физическим и химическим положениям установлено не было. Исследования основных закономерностей процесса переувлажнения и масштабные эксперименты, направленные на его минимизацию, выполнены с помощью математической модели, учитывающей известные в исследуемой области закономерности и адаптированной к условиям обжиговой машины.

1.7. Публикации.

По теме диссертации опубликовано 10 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 4 тезиса докладов, получено 2 патента на изобретения.

1.8. Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературных источников из 84 наименований и 2 приложений. Общий объем работы составляет 120 страницы, в том числе 39 рисунков и 3 таблицы.

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

П - периметр м b - влажность материала на сухую массу %

ЛЬ - переувлажнение материала на сухую массу % с - теплоемкость кДж/кг-К кДж/м3-К d -диаметр ^ мм - влагосодержание газа % объемные g - ускорение свободного падения м/с gM - коэффициент влагообмена кг/м2с gce - выход свободной влаги из слоя кг/м мин q - источник теплоты кВт/м q - удельное количество тепла кДж/кг

I - длина м п - константа математической модели доли ед. h - толщина пленки воды мм

7 - коэффициент усвоения свободной влаги ксв долиед. окатышами s - удельная поверхность м2/м t - температура материала К v - скорость прохождения фронта сушки м/мин

- координата по высоте слоя от границы у „, мм слои/постель - коэффициент торможения переувлажнения (доля доли ед к потока конденсата из газа, поступающая в окатыш)

В, - константа математической модели доли ед.

D - коэффициент сохранения капельной влаги доли ед.

Е - порозность СЛОЯ м пустот/м слоя

Fe - суммарное переувлажнение слоя %-м-мин

Fon - опасное переувлажнение слоя %-м-мин

G - масса, удельная масса кг, т/ч, кг/м с

Н - высота слоя сырых окатышей мм

Нок.св - энтальпия суммарной свободной влаги кДж/кг

L - длина м

Р - давление

2 - теплота

5 - площадь

Т - температура теплоносителя и - скорость перемещения обжиговых тележек

V - расход газа

Ж - скорость фильтрации газа

X - влагосодержание газа. а — коэффициент теплоотдачи е - пористость окатышей

77 - коэффициент кинематической вязкости; р — эффективность сушки

Л - коэффициент теплопроводности в газе р - плотность а - прочность окатышей статическая г - время

- коэффициент газодинамического сопротивления слоя у/ — доля свободного горизонтального сечения слоя Индексы:

О — начальный, исходный, нормальные условия вл - влага, влажный вх - на входе вых - на выходе г - газ исп — испарение к - канал кон - конечный

К - конденсат, конденсация м - материал н - насыщенный ок - окатыш п - периферия кгс/м мм вод.ст. Па кДж/кг м м/мин кгв0ды/кгСух0Г0 газа кВт/м2-К доли ед. м /с доли ед. кВт/м-К кг/окатыш мин доли ед. доли ед. пов - поверхность ппу - предельное переувлажнение с - сухой, сушка се - свободная влага сл - слой сырых окатышей с/п - граница слой - постель ср - средний, среднемассовый т — топливо у - унос ц - центр ч - частица э - эквивалентный пред - предельный п - постель

- поверхностный

V - объемный

Е - суммарный, общий

Безразмерные числа:

Ыи - Нуссельта

Яе - Рейнольдса

Принятые сокращения:

ВГ - воздух горения

ГВК - газовоздушная камера

ГОК - горно-обогатительный комбинат

Др - дроссельная заслонка

ЗПН - зона предварительного нагрева

ЗПС - зона промежуточной сушки

КПП - камера предварительного подогрева

Н - зона нагрева в тепловой схеме обжиговой машины

ОКМ - обжиговая конвейерная машина

ПВ - переточный воздух

С1 - зона сушки 1 в тепловой схеме обжиговой машины

С2 - зона сушки 2 в тепловой схеме обжиговой машины

ФХП - физико-химический процесс

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Эволюция тепловой схемы сушки на обжиговой машине

1.2. Экспериментальные исследования процессов, протекающих при сушке окатышей

1.3. Математические модели процессов слоевой сушки

1.4. Задачи исследований

2. МОДЕЛЬ СЛОЕВОЙ СУШКИ ОКАТЫШЕЙ

2.1. Физическая модель сушки слоя окатышей на обжиговой машине

2.2. Развитие математической модели сушки с учетом протекания в слое процессов переувлажнения и образования свободной влаги

2.3. Механизм образования поверхностного переувлажнения слоя в зоне сушки продувом

2.4. Выводы

3. ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ПЕРЕУВЛАЖНЕНИЯ В ХОДЕ СУШКИ ОКАТЫШЕЙ

3.1. Исследование влияния параметров теплоносителя на переувлажнение слоя окатышей

3.2. Исследование влияния свойств окатышей на переувлажнение слоя окатышей

3.3. Исследование влияния параметров слоя на его переувлажнение

3.4. Выводы

4. РАЗРАБОТКА СПОСОБОВ И РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО

УМЕНЬШЕНИЮ ПЕРЕУВЛАЖНЕНИЯ СЛОЯ ОКАТЫШЕЙ НА

ОБЖИГОВОЙ МАШИНЕ

4.1. Повышение температуры загружаемых на машину сырых окатышей путем организации камеры предварительного подогрева

4.2. Схема сушки с одним реверсом теплоносителя

4.3. Рекомендации для уменьшения переувлажнения на обжиговых машинах

4.4. Выводы 108 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 110 БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 113 ПРИЛОЖЕНИЯ

Заключение диссертации по теме «Металлургия черных, цветных и редких металлов», Солодухин, Андрей Александрович

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Сформулирована физическая модель процессов сушки, переувлажнения, образования и поведения свободной влаги в слое и разработана математическая модель сушки слоя окатышей, включающая материальные и тепловые балансы материала и газа. Осуществлено развитие существующей математической модели сушки слоя с учетом кинетики процесса переувлажнения и переноса свободной влаги в слое и за его пределами. Модель адаптирована к условиям зон сушки действующей обжиговой машины ОК-520.

2. Введены специальные характеристики для сравнительного анализа влияния параметров теплоносителя и слоя на общую величину зоны переувлажнения - суммарное за время существование переувлажнение слоя опасное для целостности окатышей переувлажнение слоя (Роп) и интенсивность образования свободной влаги ^св). Программная реализация адаптированной математической модели позволила получить результаты моделирования процесса сушки по длине мапгине и высоте слоя: влажности окатышей, влагосодержания газа, термограмм окатышей и газа.

3. Исследованы и обобщены закономерности процессов сушки и переувлажнения окатышей по группам определяющих факторов: параметры теплоносителя, индивидуальные свойства сырых окатышей и параметры слоя окатышей. Температура, скорость фильтрации и начальное влагосодержание теплоносителя, ввиду их прямого влияния на интенсивность влагообмена и условия конденсации в слое теплоносителя, однозначно определяют процесс переувлажнения окатышей.

4. Выявлены особенности влияния размера и начальной влажности окатышей на основные характеристики переувлажнения, обусловленные наложением процессов массообмена и теплообмена, а также взаимосвязью пористости и величины предельного увлажнения. Показано, что температура исходных окатышей является наиболее действенным фактором подавления конденсации влаги и процессов переувлажнения в слое.

5. Определена степень усиления суммарного переувлажнения слоя при увеличении его высоты, необходимом для интенсификации термообработки окатышей в целом, вследствие создания особенных условий для конденсации влаги в слое за счет сложного характера теплообмена в неподвижном слое. Выявлены возможности подавления отрицательного воздействия интенсификации термообработки путем согласования параметров теплоносителя, производительности обжиговой машины и соотношения площадей технологических зон.

6. Показано, что уменьшение переувлажнения в слое может быть достигнуто путем повышения температуры загружаемых на машину сырых окатышей или созданием условий, препятствующих конденсации и способствующих выносу влаги за пределы слоя.

7. Разработаны способы организации перед зоной сушки камеры предварительного подогрева и определены параметры её работы. В качестве обобщенного критерия эффективной работы камеры предварительного подогрева следует использовать количество тепла, введенное в слой на единицу массы окатышей. Способ сравнительно малозатратен и предлагается для действующих обжиговых машин. Второй способ реализуется за счет сокращения длины зоны сушки 1 с продувом теплоносителя и выбора оптимального режима работы этой зоны, при котором слой окатышей подготавливается к эффективной сушке в основной зоне сушки 2 с исключением переувлажнением.

8. Определено, что подогрев постели и снижение температуры теплоносителя в начале зоны сушки 2, позволят сократить экономически нецелесообразную зону продувом и увеличить высоту слоя до 550 мм.

9. Применены на практике результаты экспериментальных и расчетно-аналитических исследований, использованные при разработке технических заданий на модернизацию тепловых схем обжиговых машин ОК-520 (ОАО «Михайловский ГОК»), ОК-536 (ОАО «Карельский окатыш») и ОК-228 (ОАО «Качканарский ГОК»), а также в тепловой схеме новой обжиговой машины МОК-592 строящегося технологического комплекса на ОАО «Михайловский ГОК» [84].

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Солодухин, Андрей Александрович, 2012 год

1. Стратегия развития металлургической промышленности Российской Федерации до 2020 года. Министерство промышленности и торговли РФ. 18 марта 2009

2. Сравнительный анализ современного состояния черной металлургии СССР и капиталистических стран. Сталеплавильные производства Текст./ Б.С.Барский, И.Н.Лурье, Н.И.Перлов и др.// Черметинформация. 1965. -442 с.

3. Изучение процессов сушки в слое железорудных окатышей / Г.М.Майзель, Ю.И.Мерзляков //В сб. научных трудов / ВНИИМТ. М.: Металлургия, 1969. №18, С. 37-43.

4. Коротич В.И. Теоретические основы окомкования железорудных материалов Текст. / В.И.Коротич. Москва: Металлургия, 1966. - 151 с.

5. Бережной H.H. Производство железорудных окатышей Текст./ Н.Н.Бережной, В.В.Булычев, А.И.Костин. Москва: Недра, 1977 - 240 с.

6. Коротич В.И. Основы теории и технологии подготовки сырья к доменной плавке учебник Текст. / В.И.Коротич. Москва: Металлургия, 1978. -208 с.

7. Лобанов В.И., Братчиков С.Г., Майзель Г.М., и др. Теплотехника производств окускования и обжига металлургического сырья. Сб. научных трудов № 25/МЧМ СССР, ВНИИМТ-Свердловск, 1971, с. 146-150.

8. A.c. 1222694 СССР. Способ сушки окатышей на обжиговых машинах конвейерного типа/ В.М.Абзалов, Я.Л.Белоцерковский, Е.В.Некрасова и др. // Открытия, Изобретения, 1986, № 13, с. 98 99.

9. Оптимизация процесса сушки окатышей на обжиговых машинах Костомукшского ГОКа / С.Н.Евстюгин, В.М.Абзалов, Т.М.Архипова,

10. B.И.Клейн, В.А.Тверитин // Сталь 1986 - № 6. - с. 8- 10.

11. Интенсификация термообработки окатышей на обжиговых конвейерных машинах / С.Н.Евстюгин, В.М.Абзалов, Е.В.Некрасова и др. // Сталь 1990 -№3.-с. 11 - 15.

12. Основные тенденции и практика совершенствования технологии и оборудования для производства окускованного сырья в России / В. П. Бруев, В. И. Гриненко, С. Н. Евстюгин, С. И. Кретов, В. С. Рыбкин, Г. А. Шалаев, Н. А. Шляхов // Сталь 2006 - №6 - с.5 - 9.

13. Пути снижения расхода топлива при обжиге окатышей / В.М.Абзалов,

14. C.Н.Евстюгин, А.В.Кононыхин, В.С.Селезнев, А.А.Солодухин // Сталь -2002 №4 - с.5 - 7.

15. Способ сушки окатышей на конвейерных машинах./ В.М.Абзалов, Г.Х.Бойко, Л.К.Кокорин и др. A.c. № 1587067 от 22.04.90.

16. Майзель Г.М., Абзалов В.М., Евстюгин С.Н. и др. Обжиговая машина с двухслойным загрузочным устройством. Патент Германии № 95Р8518 ДЕ от 31.03.95. Патент Австралии № 692371 от 20.03.96. Патент ЮАР №96/2582 от 10.03.96.

17. Отчет по опытно-промышленным исследованиям сушки слоя окатышей на обжиговой машине ОК-228 на ОАО «Качканарский ГОК. Ванадий». Этап 1 договора № 406 от 20.10.2003 г. ООО «НПВП ТОРЭКС».

18. Обжиговая конвейерная машина нового поколения / В.М.Абзалов, В. И. Клейн, С. Н. Евстюгин // Сталь 2002 - №4 - с.8 - 10.

19. Интенсификация процесса сушки окатышей на обжиговых конвейерных машинах / В.М.Абзалов, Б.И.Борисенко, В.Н.Неволин, А.А.Солодухин // Сталь 2006 - №6 - с.28 - 30.21.