CC BY
21
ВЕСТ1ШК
ПРИАЗОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГр ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
Вып.№9
2000 г.
•УДК 669.184.244.66
Сущенко А.В.Безчерев A.C.2
О МАТЕМАТИЧЕСКОМ МОДЕЛИРОВАНИИ ПРОЦЕССА ДОЖИГАНИЯ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ В КИСЛОРОДНОМ КОНВЕРТЕРЕ
Проведен критический анализ известных математических моделей процесса дожигания отходящих газов в кислородном конвертере. Показана необходимость создания обобщённой функционально-детерминированной динамической модели и проведения комплексных аналитических исследований с целью оптимизации управляющих параметров процесса дожигания для различных условий конвертирования чугуна.
С момента получения первых результатов в 1957 г. [1,2] проблема организации эффективного дожигания отходящих газов в кислородном конвертере являлась предметом многих теоретических и экспериментальных исследований, но "...до настоящего времени она не может считаться окончательно решённой" [3 и др.]. Последнее обусловлено сложностью и многофакторностью аналитического решения задачи оптимизации рассматриваемого процесса - с одной стороны, и трудностью проведения высокотемпературных экспериментов - с другой. В этих условиях математическое моделирование процесса с использованием современных численных методов и "мощных" ЭВМ является наиболее эффективным методом решения проблемы. Несмотря на наличие в научно-технической литературе значительного количества моделей процесса дожигания отходящих газов в конвертере [3-17 и др.], нерешённость проблемы в целом [18], пока не позволяет говорить о создании математической модели, отвечающей потребностям современного производства. Последнее, на наш взгляд, объясняется как нечёткой физической постановкой задачи (в т.н., вследствие дяскуссионности некоторых вопросов механизма дожигания газов в конвертере), так и отсутствием комплексного подхода к созданию моделей.
Известные математические модели дожигания конвертерных газов, в зависимости от подхода исследователей к решению задачи, можно условно разбить на три группы: "термодинамические" [3-7 и др.], "тепло-массообменные" [8-11 и др.] и "газодинамические" [12-17 и др.].
В основе моделей первой г руппы лежат общие представления о рассматриваемом процессе и термодинамические уравнения, позволяющие оценить предельные значения параметров дожигания в зависимости от области (зоны) организации процесса в агрегате (газовая фаза, шлак, шлако-газо-металлическая эмульсия - ШГМЭ, реакционная зона, металлический расплав) й параметров плавки. Существенным недостатком этих моделей является ограниченность их возможностей (с точки зрения оптимизации процесса дожигания, в частности - параметров дожигающих струй) рамками чисто термодинамического подхода к моделированию.
Модели второй группы основаны преимущественно на анализе теплообмена при дожигании отходящих газов и позволяют оценить соотношения между тепловыми потоками в рассматриваемой системе. К числу их недостатков следует отнести следующие: 1) описывают весьма приближённо перенос тепла от факела (-ов) дожигания СО к металлическому расплаву, в т.ч. за счёт эжекции шлака (ШГМЭ) струями дутья [9]; 2) используют допущение о равенстве температуры факела (-ов) дожигания адиабатической температуре горения; 3) некорректно задают граничные условия в системе, в частности на границах раздела "газовая фаза - внутренняя поверхность футеровки", "факел дожигания - внутренняя полость конвертера" и др.
Из моделей третьей группы следует выделить [15-17], базирующиеся на численном реше-
1 ПГТУ, ст. научный сотрудник;
2ПГТУ, аспирант.
нии системы сложных дифференциальных уравнений (движения газа, сохранения энергии, массы и импульса), описывающих поля скоростей и концентраций компонентов газовых потоков в конвертере. Несмотря на достаточно "мощный" математический аппарат, эти модели не избавлены от ряда недостатков: 1) не учитывают влияние шлака (ШГМЭ) на процесс распространения газовых потоков в полости агрегата; 2) имеет место некорректное задание граничных условий в рассматриваемой системе, например - условие "непротеканйя" газовых потоков через горловину конвертера [17], и др.; 3) прй моделировании распространения сверхзвуковых струй кислорода в конвертере, характеризующегося организацией турбулентных факелов горения отходящих газов, не учитывают особенности их формирования, в частности изменение геометрии (в т.ч. ударно-волновой структуры), вызванное взаимным влиянием указанных процессов.
Следует подчеркнуть, что сверхзвуковое горение является фундаментальной проблемой механики сплошной среды, состоящей в одновременном учёте микросвойств системы, определяемых кинетикой химических превращений, и макросвойств потока, описываемых уравнениями динамики вязкой жидкости [19]. Пренебрежение указанными особенностями может привести к серьёзным ошибкам при исследовании и оптимизации процесса дожигания конвертерных газов, обусловленным неадекватностью используемых моделей. Попытки повысить точность решения за счёт усложнения и без того громоздкой системы "газодинамических" уравнений и, как следствие, увеличения затрат времени на её решение, в этих условиях, на наш взгляд, являются неоправданными. Более рациональным являётся подход к моделированию, основанный на выявлении и исследовании наиболее значимых качественных и количественных связей между параметрами газодинамики, тепло-массообмена и химической кинетики в рассматриваемой системе с использованием более простых (с точки зрения используемого математического аппарата1) моделей процесса, обеспечивающих приемлемую точность и достоверность получаемых результатов. Попытка реализации такого подхода выполнена в работе [20], где представлена модель истечения струи кислорода в газовую фазу С0-С02 в неизотермических условиях.
Необходимо отметить, что в более поздних из известных моделей дожигания [3,8,12,17 и др.] присутствуют элементы комплексного подхода и их затруднительно отнести к той или иной группе представленной классификации. В тоже время, говорить о комплексном решении задачи пока невозможно. Так, авторы работ [3,8,12] рассматривают последовательно термодинамический, газодинамический и теплообменный аспекты дожигания конвертерных газов, но без анализа взаимосвязей между ними. В работе [17] процесс дожигания рассмотрен только применительно к организации продувки металла двухпоточной фурмой. При этом модель, представленная в [17], на наш взгляд, является наиболее совершенной. Однако, вследствие квазистатической постановки задачи, а также некорректного описания таких объектов, как "шлак" и "металлический расплав", эта модель не позволяет определить оптимальные параметры процесса дожигания в зависимости от особенностей технологии конвертерной плавки.
Подводя итоги анализа работ в области моделирования процесса дожигания отходящих газов в кислородном конвертере, следует отметить следующее. До последнего времени при разработке математических моделей превалировал некомплексный подход, базирующийся на рассмотрении в основном одного из выделенных аспектов дожигания применительно к вполне определённым условиям конвертирования чугуна и области (зоны) дожигания в агрегате. При этом наиболее разработанными в теоретическом плане являются вопросы термодинамического анализа в системе. Известные модели являются по своей сути статическими и не позволяют исследовать динамику процесса дожигания, как составной части макрокинетики (во взаимосвязи с перемешиванием и обезуглероживанием расплава, плавлением металлолома, шлакообразованием и др.) конвертерной плавки [21]. Это, в свою очередь, не позволяет определить необходимые функциональные связи и оптимизировать управляющие параметры конвертерного процесса (изменение расходов первичного и вторичного кислорода, высоты фурмы, массы и периодов присадок шлакообразующих материалов по ходу продувки и др.) с целью более эффективного
1 Использование среднеинтегральных характеристик по поперечному сечению струй и т.п.
дожигания отходящих газов при различных исходных условиях плавок (вид агрегата, параметры металлозавалки и т.п.). В тоже время, после проведения ряда интересных теоретических и экспериментальных исследований [3,8,12,17,22*23 и др.], с учётом накопленного промышленного опыта по опробованию и внедрению различных способов и устройств, предназначенных ' для интенсификации дожигания газов в конвертере [24, 25 и др.], сформировалась общая физическая картина рассматриваемого процесса. Установлены рациональйые области (зоны) организации эффективного дожигания газов в конвертере: шлак (ШГМЭ) - для агрегатов верхнего дутья; газовая фаза (над ванной) и шлак - для агрегатов с дополнительным перемешиванием ванны (при наличии донной или боковой продувки).
Для дальнейшего решения рассматриваемой проблемы необходимо сконцентрировать усилия на решении нижеследующих вопросов.
1. Доработка на основе обобщения и анализа полученных результатов физической модели и разработка функционально-детерминированной динамической математической модели дожигания отходящих газов в кислородном конвертере с учётом макрокинетики конвертерной плавки.
2. Оптимизация на основе разработанной модели параметров процесса дожигания применительно к различным вариантам конвертирования чугуна (в первую очередь, для доминирующей в нашей стране LD-схемы) с целью разработки новых высокоэффективных способов и устройств интенсификации дожигания конвертерных газов. При этом следует обратить внимание на вопрос оптимизации параметров процесса дожигания при существующих нестабильных условиях работы конвертеров отечественных металлургических предприятий (по шихте и производству), замене лома окатышами, рудой и другими охладителями [18]. Представляет также значительный интерес вопрос о разработке физической и математической моделей высокоэффективного низкочастотного пульсирующего дожигания монооксида углерода, позволяющего существенно увеличить степень дожигания (на 35 %) и интенсивность передачи полученной при этом теплоты к металлу (~ в 4 раза) (по сравнению с вариантом обычной продувки) [26].
Выводы
Математическое моделирование является одним из наиболее эффективных методов решения проблемы организации дожигания отходящих газов в полости кислородного конвертера. К настоящему времени сложились необходимые предпосылки для создания комплексной функционально-детерминированной динамической модели рассматриваемого процесса с целью оптимизации его управляющих параметров и последующей разработки высокоэффективных способов и устройств дожигания СО до С02 в агрегатах конвертерного типа.
Перечень ссылок
1. KosmiderH., Neuhaus H., SchenkH. //Stahl und Eisen. - 1957. - V.77, № 19. - S.1277-1283.
2. Kai hm g В., Johanssen F. Я Stahl und Eisen. -1957. - V.77, n» 19. -S. 1308-1315.
3. Дожигание монооксида углерода в конвертере. Термодинамика процесса / Охотский В.Б.,
Борисов ЮН., Зражевский А.Д. идр. //Изв. вузов. Черная металлургия.-1992.-№ 4.-С. 15-16.
4. David А. V., Непе in H., Dauby H. A Thermodynamic analyses of decarburisation and postcombustion in the BOF // Proc. 68th Steelmaking Conf. Vol. 68: Detroit Meeting, April 14-17, 1985. - Warrendable, Pa, 1985. - P.67-79.
5. Определение содержаний диоксида углерода в конвертерных газах при продувке кислоро-
дом / Щюрмсш Э., ШперлъХ., Хаммер Р., Э/iôep АЛ Черные металлы. -1986.-№ 23.-С.16-22.
6. Жулъковский O.A. Процесс дожигания конвертерных газов в полости конвертера // Про-
мышленная теплотехника. - 1998. - Т.20, №2. - С. 19-21.
7. Жулъковский O.A., Чернятсвич А Г., Гресс A.B. Численное исследование процесса дожига-
ния отходящих газов в объёме конвертера // Изв.вузов. Черная металлургия. -1993- №1 .-С. 19-22.
8. Дожигание монооксида углерода в конвертере. Теплоперенос / Охотский В.Б., Борисов
Ю.Н.. Зражевский А.Д. и др. // Изв. вузов. Черная металлургия. - 1992. - № 10. - С. 8-10.
9. Судэкияма Ш. Фундаментальные исследования процесса восстановления расплава. Анализ механизма теплопередачи при вторичном горении в конвертере // Тэцу то хаганэ. J. Iron and Steel Inst. Jap. - 1986. -T.72, J4° 12. - С. 1029.
10. Zhang Linyi, Oders F. A model of post-combustion in iron-bath reactors. Part 1: theoretical basis // Steel Res. - 1991. - V.62, № 3. - P.95-106.
11. Zhang Linyi, Oders F. A model of post-combustion in iron-bath reactors. Part 2: results for combustion with oxygen // Steel Res. - 1991. - V.62,№ 3. - P. 19-20.
12. Дожигание монооксида углерода в конвертере. Газовая динамика / Охотский В.Б., Борисов Ю.Н., Зражевский А.Д. и др. // Изв. вузов. Черная металлургия. - 1992. - № 6 - С.4-5.
13. Като И. Влияние организации сопла и технологических параметров на вторичное дожигание в конвертере с оборудованием для этого фурмами // Тэцу то хаганэ. J. Iron and Steel Inst Jap. - 1987. - T.73, № 4. - C.212.
14. Влияние конструкции фурмы и технологических факторов на вторичное дожигание в конвертере с дополнительными фурмами / Като Й.. Гросжан Ж. К, Ребоул Ж.-П. и др. // Тэцу то хаганэ. J. Iran and Steel Inst. Jap. - 1988. - T.28, № 4. - C.288-296.
15. Ресурсосберегающие технологии кислородно-конвертерных процессов / Куличенко В,А., Пожшанов MA., Зражевский А.Д. и др.-Днепропетровск: Укрметаллургинформ, 1995.-207с.
16. Королъкова H.H., Меркер Э.Э., Колекционова Е.С. Математическая модель дожигания оксида углерода в конвертере // Изв. вузов. Черная металлургия. - 1995. - № 9. - С.24-26.
17. Математическая модель дожигания монооксида углерода в конвертере / Протопопов Е.В., Чернятевич А.Г.. Ганзер Л.А. и др. // Изв. вузов. Черная металлургия,- 1998. - №8. - С.23-29. 1998,- К: 10. - С.20-24.
18. Сущенко A.B., Безчерев А С. Состояние и пути решения проблемы дожигания отходящих газов в полости кислородного конвертера // Вестник Приазовского государственного технического университета. -1999. - № 8. - С.50-54.
19. Горение в сверхзвуковом потоке / Баев В.К, Головичев В.И., Третьяков П.К и др. - Новосибирск: Наука, 1984. - 304с. t
20. Sushenko А. V., Kapustin Е.А., Logozinskaya V.N. The model of carbon oxide combustion in the oxygen jet // Abstracts of 15th International Symposium on combustion processes. Poland, Czesto-chova - 1997. -P.48.
21. Капустин E.A., Сущенко A.B. Развитие теории и математической модели кислородно-конвертерной плавки // Вопросы теории и практики сталеплавильного производства. - М.: Металлургия. - 1991,-С. 5 7-73.
22. Накамура И. Фундаментальные исследования вторичного дожигания в конвертере. Исследования элементов технологии восстановления расплавов // Тэцу то хаганэ. J. Iron and Steel Inst. Jap. - 1986.-T.72, № 4 . - С. 182.
23. Цудзино Р. Изучение дожигания в конвертере. Влияние различных факторов на дожигание // Тэцу то хаганэ J. Iron and Steel Inst. Jap. - 1985. - T.71, JV° 4. - С. 189.
24. Применение дожигания в большегрузных конвертерах / Колесников Ю.В., Югов П.И., Капранов А.Н. идр. //Бюл. НТИ. Чёрная металлургия. - 1989. -Ns 11. - С.52-53.
25. К вопросу о дожигании монооксида углерода в конвертере / Охотский В.Б., Пожшанов М.А., Борисов Ю.Н. и др. // Сталь. - 1992. - № 5. - С.25-28.
26. Такахаши Ю. Разработка верхней фурмы для вторичного дожигания в экспериментальном конвертере // Тэцу то хаганэ. J. Iron and Steel Inst. Jap. - 1987. - T.73, JVa 4. - С.216.
Сущенко Андрей Викторович. Заведующий Отделом математического моделирования и оптимизации теплотехнологических процессов и агрегатов ПНИЛ, окончил Мариупольский металлургический институт в 1984г. Основные направления научных исследований - математическое моделирование и энергооптимизация теплотехнологических процессов и систем; pajpaiyT-ка и внедрение энергоресурсосберегающих технологий металлургического производства. Безчерев Александр Сергеевич. Аспирант кафедры ТТМП, окончил Приазовский государственный технический университет в 1996г. Основные направления научных исследований - математическое моделирование и энергооптимизация теплотехнологических процессов и систем; разработка и внедрение энергоресурсосберегающих технологий.
