Раздел 2
РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСНЫХ КРИТЕРИЕВ ДУТЬЕВОГО ПОТОКА
И ОЦЕНКА ИХ ВЛИЯНИЯ НА ПАРАМЕТРЫ ФУРМЕННОЙ ЗОНЫ
Процессы в горне являются динамичными и многофакторными. Как отмечалось в литературном обзоре, отслеживанием изменений отдельных параметров дутья, фурм и коксовой насадки не удается точно оценить, в каком направлении пойдут те или иные процессы, из-за чего принятие корректных решений по управлению ходом доменной плавки затруднено. Недостаточно изучен также вопрос о размерах фурменных очагов и глубине проникновения газов к центру горна, особенно при использовании комбинированного дутья, а также остаются дискуссионными критерии оценки этих параметров и способы управления ими.
В 1981 году в теорию и практику доменной плавки, наряду с традиционным показателем работоспособности потока дутья, истекающего из фурм доменной печи - кинетической энергией, введен новый показатель - полная механическая энергия потока воздушного дутья [166, 167]. Этот показатель также имеет ограниченное применение в связи с тем, что доменных печей, работающих на воздушном дутье практически нет, все доменные печи используют комбинированное дутье. Полной механической энергией потока воздушного дутья можно пользоваться для расчета полной энергии в трубопроводах холодного и горячего дутья, т.е. до трубки подвода природного газа в фурму. За трубкой ввода природного газа в фурму все параметры потока изменяются. В связи, с чем необходимо разработать методику расчета полной энергии для потока комбинированного дутья. Параметры потока изменяются и в зоне горения перед фурмой, что в свою очередь требует разработки методики расчета полной энергии потока горнового газа.
Для облегчения математического описания движения газов обычно в расчет вводится понятие элементарной струйки. Поперечные размеры элементарной струйки принимаются настолько малыми, чтобы в каждом ее сечении можно было считать постоянными все основные параметры потока: скорость? давление? температуру и плотность. Этот искусственный прием позволяет исключить из расчета влияние координат, т.е. неравномерно распределенное движение сводится к равномерно распределенному. Результаты, полученные для элементарной струйки? при соблюдении определенных условий, распространяются на весь газовый поток.
Частным случаем применения закона сохранения энергии к газовым потокам является уравнение энергии. Запас энергии 1 кг движущегося газа равен сумме энергии давления (компрессии)? энергии движения (кинетической)? энергии положения и внутренней энергии (точнее изменения внутренней энергии в связи с изменением температуры, т.к. полностью определить ее сложно).
Полная энергия газового потока в любом сечении равна [286-290]:
, (2.1)
где Р - абсолютное давление газового потока, Па; ? - плотность газового потока, кг/м3; ? - средняя скорость газового потока, м/с; g - ускорение свободного падения; z - высота нахождения потока по отношению к некоторой плоскости сравнения? м; cv- удельная массовая теплоемкость газового потока при постоянном объеме, Дж/(кг?К); Т - температура газового потока, К.
Механической формой уравнения энергии является уравнение Д. Бернулли, составляющее основу прикладной механики газов. Будучи записанным на примере движения несжимаемого газа? когда плотность ? не зависит от давления Р и остается постоянной величиной по всей длине потока от сечения 1 к сечению 2, это уравнение имеет вид:
(2.2)
где Нтр- энергия движения единицы объема газа, которая в результате трения необратимо перешла в теплоту, и, таким образом? оказалась потерянной? Дж.
Перед разработкой методик расчета полных энергий потока комбинированного дутья и потока горнового газа проведем вывод уравнения полной энергии потока воздушного дутья.
2.1. Полная энергия потока воздушного дутья
Воспользовавшись выражением (2.1) и приняв ось фурмы за начало отсчета, запишем уравнение полной энергии потока воздушного дутья на срезе фурмы:
(2.3)
где mд - массовый расход потока дутья через одну фурму, кг/с; Рд - абсолютное давление дутья, Па (Рд = 101325 + Ри, где Ри - избыточное давление дутья, измеренное прибором, Па); ?д - плотность воздушного дутья, кг/м3; ?д - средняя скорость потока дутья в фурме, м/с; cvд- удельная массовая теплоемкость воздушного дутья при постоянном объеме, Дж/(кг?К); Тд - температура дутья, К.
Массовый расход и средняя скорость потока дутья могут быть выражены через общий объемный расход дутья Qд (м3/c), количество n и площадь сечения Sф (м2) фурм:
(2.4)
(2.5)
Подставив выражения (2.4) и (2.5) в уравнение (2.3), получим:
(2.4)
Плотность дутья может быть определена по формуле:
(2.5)
а объемный расход дутья из выражения:
(2.6)
где Ро, То - давление и температура при нормальных условиях (101325 Па, 273 К), Па, К, соответственно; ?од - плотность воздушного дутья при нормальных условиях, кг/м3; Qод - объемный расход дутья при нормальных условиях, измеренный приборами на печи, м3/с.
Подставив выражения (2.5) и (2.6) в уравнение (2.4), после соответствующих преобразований получим уравнение для определения полной энергии потока дутья на срезе фурмы доменной печи:
(2.7)
Первое слагаемое уравнения (2.7) представляет собой запас энергии давления (компрессии), второе - кинетической энергии, а третье - изменения внутренней энергии потока нагретого атмосферного дутья.
Первые два слагаемых уравнения полной энергии потока дутья представляют собой полную механическую энергию потока дутья на срезе фурмы доменной печи [166, 167, 171]:
(2.8)
При вычислении изменения внутренней энергии потока дутья на срезе фурмы доменной печ