Китаев Б. И, Ярошенко Ю. Г, Лазарев Б. Л. Теплообмен в доменной печи

Теплотехника доменного процесса китаев

Приведенные приемы анализа тепловой стороны доменного процесса основывались на тепловом балансе, рассчитанном по начальному и конечному состоянию системы, т. е. с учетом общего количества выделяющегося тепла, но без учета того, при каких условиях и при каких температурах происходит передача тепла от газов к материалам. Рассмотренный тепловой баланс, независимо от предложенных способов его расчета, базируется на «первом начале», т. е. на обеспечении соблюдения только баланса тепла в доменном процессе в целом. Согласно этому балансу, равные количества тепла, например, на испарение воды и на диссоциацию влаги, учитываются равным числом калорий и одинаково отражаются на расходе кокса. Между тем, фактическое влияние этих факторов на расход кокса неодинаково.
Соблюдение «второго начала», согласно которому тепло может переходить только от тела с более высокой температурой к телу с более низкой, обычным балансом не контролируется.
Пользуясь только обычным балансом, можно допустить, что при сушке влажной руды снижается расход кокса. Между тем, известно, что испарение влаги происходит в верхних горизонтах печи при низких температурах за счет тепла отходящих газов, в то время как тепло горения кокса выделяется в горне при высоких температурах и не связано с теплом, расходуемым вверху. Нельзя представить себе, чтобы для усиления притока тепла в горне, например, для выплавки чугуна с повышенным содержанием кремния или при увеличении расхода тепла на диссоциацию влаги, достаточно было бы только сэкономить тепло в верхних участках печи.
Эти рассуждения свидетельствуют о недостаточности обычного теплового баланса как средства анализа процесса. Можно обратить внимание и на то, что при составлении обычного баланса формально можно было бы в расчет принять любую высокую температуру дутья или любую низкую температуру колошника, в то время как фактически нельзя подавать в печь дутье с температурой, выше оптимальной в данных условиях, и нельзя никакими мерами снизить температуру колошника ниже определенного уровня.
Примером обусловленности температуры колошниковых газов существом процесса и невозможности ее снижения ниже некоторого уровня является то, что при увеличении высоты печи и, следовательно, пути газов почти вдвое не было достигнуто существенного понижения температуры колошниковых газов, несмотря ка то, что контакт шихты и газов при этом значительно удлинился. В подтверждение сказанного можно указать на следующий пример, приведенный М.А. Павловым: если сравнить две печи, из которых одна имела высоту 14,33 м и объем 170 м3, а вторая соответственно 24,38 м и 440 м3, то температура колошника у первой оказалась 390°, а у второй — 336°, т. е. изменилась незначительно. При сравнении печей объемом 328, 440 и 722 м3, производительностью соответственно 37, 50 и 80 т в сутки при работе их с одним расходом кокса и при одинаковом времени пребывания материалов в печи температуры колошника были 321, 312 и 308°, т. е. отличались незначительно.
Можно отметить также, что невысокие печи небольшого объема, работающие на влажной лимонитовой рудеминетт, имеют часто температуру колошника 60—70°, а печи Магнитогорского завода объемом 1386 м3, работающие на офлюсованном агломерате, при незначительном количестве летучих в шихте имеют температуру колошника 350—400°, причем использование углерода в последних неизмеримо выше, чем у первых.
Таким образом, температура отходящих газов не зависит от высоты и размеров печи, а определяется главным образом потреблением тепла в верхних горизонтах печи. Она зависит также и от количества тепла, выделенного в результате экзотермических реакций верхней части печи. Доказательством этого является весьма высокая температура колошниковых газов при выплавке ферромарганца из руды, содержащей пиролюзит (MnO2), в связи с выделением большого количества тепла при восстановлении от MnO2 до Mn2O3. При применении агломерата такой руды, в котором MnO2 переведена в низшие окислы, существенно снижается температура колошника.
He приходится говорить о том, что «низкотемпературное» тепло, теряемое в колошник с газами, нагретыми до 400—300°, не может быть использовано в печи, так как в других местах печи температура еще выше. Для снабжения нижних горизонтов нужным теплом необходимо, как известно, подвести это тепло в соответствующие участки печи, причем теплоноситель должен иметь соответственно более высокую температуру; тепло должно быть «высокотемпературным» и доставляться путем увеличения количества сжигаемого углерода либо повышением нагрева дутья.
Попытки улучшения использования тепла отходящих газов увеличением высоты печи, как видим, существенных результатов не дали. He приведут к успеху и попытки увеличения количества руды, обрабатываемой газами.
При увеличении количества руды, приходящейся на прежнее количество кокса, возможно снижение температуры отходящих газов; но в нижних частях печи, где избытка тепла нет, неизбежен тепловой «перегруз» — похолодание печи. В результате пришлось бы увеличить расход горючего, а это вызвало бы увеличение теплосодержания газов в шахте и на колошнике и, следовательно, повышение температуры отходящих газов.
Таким образом, возрастание количества неиспользованного тепла, уносимого газами в колошник, может быть следствием либо экзотермических реакций в верхних частях печи, либо следствием малого потребления тепла в шахте на удаление летучих (H2O, CO2) и испарение влаги, либо результатом возросшей потребности «высокотемпературного» тепла в нижних частях печи, вызывающей больший расход углерода. С этим связано образование большего количества газов, которые, переходя в шахту, не могут найти потребителя содержащегося в них тепла. Поэтому часто производственники, желая предохранить железные конструкции колошника от действия высоких температур, намеренно увлажняют руду, искусственно охлаждая этим газы. При этом, кстати, уменьшается скорость газов на колошнике и снижается вынос руды в виде пыли.
Все приведенные факты и основанные на них рассуждения заставляют предположить, что условия теплопередачи в нижних и верхних частях печи различны: внизу «высокотемпературное» тепло утилизируется полностью, причем приход тепла от горения топлива в горячем дутье без избытка покрывает потребность в нем нижней части печи; вверху же печи «низкотемпературного» тепла, принесенного сюда газами, пришедшими снизу, оказывается часто больше, чем необходимо для процесса, поэтому колошниковые газы выходят из печи с повышенной температурой. Количество неиспользованного тепла может увеличиться, если в шахте происходят экзотермические реакции (восстановление Mn2O3 из MnO2, восстановление Fe3O4 из Fe2O3, реакция 2СО→СО2 + С), поскольку тепла этих реакций использовать нельзя. С другой стороны, температура колошниковых газов снизится, если в шахте появится «местный» низкотемпературный потребитель, например, разложение гидратов или карбонатов, испарение влаги. Из этого следует, что при переходе с влажных руд на сухие или на офлюсованный агломерат повышается температура колошниковых газов.
Рассмотрим подробнее условия теплопередачи в верхней и нижней областях доменной печи, предположив вначале, что в шихте не содержится влаги. Оценим раздельно теплопередачу в областях с температурой ниже 900°, где не происходит разложения карбонатов и прямого восстановления, и в областях с температурой выше 900°, где, кроме разложения карбонатов и прямого восстановления Fe, Si, Mn, P и других элементов и перевода серы в шлак, происходит еще плавление чугуна, шлака, их перегрев и диссоциация водяного пара. Таким образом, в первой области имеет место обычный теплообмен, при котором газы отдают тепло, соответственно понижая температуру, а твердые материалы нагреваются.
В нижней же части печи, кроме обычного теплообмена, есть еще теплопередача, при которой газы, как и вверху, охлаждаясь, понижают температуру, а встречные твердые и жидкие вещества, воспринимая тепло, температуры не повышают. Именно такое явление имеет место при разложении карбонатов, плавлении, прямом восстановлении. На эту существенную разницу потребления тепла в верхней и нижней частях печи впервые в 1910 г. указал А.С. Саркисьянц, а позже — Дипшлаг, Н.А. Костылев, В. Матезиус, Б.И. Китаев и др.
Рассмотрим баланс тепла в верхней части печи. Принимаем следующие обозначения:
P — вес сухих материалов;
р — количество газов;
T0 и T — температуры материалов в начале верхней зоны, т. е. при загрузке на колошнике, и в конце верхней зоны;
t0 и t — температуры газов при входе и выходе из верхней зоны;
С и с — теплоемкости материалов и газов.
Так как количество тепла, отданного газами, охладившимися от t0 до t, равно теплу, воспринятому материалами, нагретыми от T0 до T, то баланс тепла выразится так:

Произведения рс = Wg и PC = Ws принято называть водяными эквивалентами. Нетрудно видеть, что рс > РС Так, например, при расходе сырых материалов P = 3,2 кг на 1 кг чугуна, теплоемкости их C = 0,22 ккал/кг °С, величина PC=Ws = 3,2*0,22 = 0,7. При выходе газа на 1 кг чугуна р = 3,5 м3 и его теплоемкости с = 0,33 ккал/м3 °C получим

Отношение pc/PC = 1,15/0,7 = 1,65. При всех возможных изменениях значений Р, р, С и с отношение это всегда превышает единицу, откуда следует, что T-T0/t0-t > 1, т. е. материалы нагреваются в большей степени, чем охлаждаются газы.
Действительно, материалы в верхней зоне нагреваются от 0 до 900°, а газы на соответствующем участке охлаждаются примерно на 550°. Если в той зоне, где материалы нагрелись до 900°, температура газов составляет 950—1000°, то температура газа при выходе из печи будет 400—450°. Именно такой и бывает температура колошника при отсутствии влаги в шихте. В действительности температура колошника несколько ниже вследствие расхода тепла на удаление влаги и на некоторые эндотермические процессы (разложение некоторой части карбонатов до 900°), протекающие в шахте.
Из сказанного видно, что температура «сухого» колошника может быть снижена только в результате изменения соотношения водяных эквивалентов, т. е. вследствие снижения расхода горючего на единицу чугуна. Это следует из приведенного выражения. Если положить T0 = 0, то

Температура колошника t, таким образом, тем ниже, чем выше отношение водяных эквивалентов шихты и газа Ws/Wg = PC/pc или выше P/p, т. е. чем больше отношение количества шихтовых материалов к количеству газов или чем ниже расход кокса. Температура колошника зависит также от t0 и Т, но эти величины, как видно из предыдущего, изменяются мало.
Формула показывает, что с повышением нагрева дутья, вызывающим снижение расхода кокса, или с обогащением дутья кислородом снижается температура колошника: в обоих случаях снижается количество газов на единицу чугуна, т. е. увеличивается Р/р.
Рассмотрим баланс тепла в нижней зоне. Здесь тепло газов лишь частично используется для дальнейшего нагрева материалов и продуктов плавки; значительная же часть этого тепла используется на «скрытые» расходы. Обозначим сумму этих расходов через Q. Тогда получим, подобно предыдущему,

Уравнения (VI, 35), (VI, 36), (VI, 38), (VI, 39) условно отражают действительное течение процесса: ведь количества введенных и вышедших продуктов изменяются от начала к концу каждой зоны, так как в зонах происходят восстановительные и иные процессы, изменяющие значения P и P’. То же следует сказать и о количествах газа и теплоемкостях, в каждом расчете принимаемых приблизительно постоянными. Эти неточности не изменяют, однако, качественной стороны выводов.
Из уравнения (VI, 39) нетрудно заключить, что в нижней зоне, в противоположность верхней, отношение T’-T0’/t0′-t’ меньше единицы. В самом деле, если p’c’/P’C’ и в этом случае больше единицы, но меньше двух, то член Q/P’C'(t0′-t’) всегда равен или больше единицы, почему вся левая часть, а с ней и правая меньше единицы.
В том, что второй член левой части уравнения (VI, 39) больше единицы, нетрудно убедиться при любом подсчете, если подставить в это выражение конкретные величины.
Следовательно, в нижней части печи вследствие значительного увеличения теплопотребления шихты («скрытые» расходы тепла) температура твердых и жидких веществ изменяется всегда меньше, чем температура газов.
Сопоставляя закономерности изменения температур верхней и нижней зон печи и предполагая, что газы охлаждаются равномерно, получим схематическую картину, изображенную на рис. 190.

Прямая наклонная линия относится к газам, а ломаная — к материалам и жидким продуктам плавки. Разность температур, как это следует из выражений (VI, 36), (VI, 39) и рис. 190, будучи максимальной в низу печи, уменьшается к середине; здесь (при 900—1000°) перепад температур достигает минимального значения, а затем вновь возрастает. Заметная разность температур вверху соответствует тому, что газы уходят из печи при сравнительно высокой температуре.
В важнейших точках диаграммы буквами обозначены температуры, соответствующие входящим в формулы (VI, 36) и (VI, 39), причем очевидно, T = T0′ и t0 = t’, так как газ, оставляющий нижнюю зону, переходит в верхнюю с той же температурой, а материалы из верхней — в нижнюю с той же температурой. Из рис. 190 видно, что в верхней зоне изменение температур материалов больше, чем газов (VI, 36), а в нижней — наоборот (VI, 39).
Б.И. Китаев рядом расчетов и экспериментальных исследований показал, что область T, Т0′ и t0, t’ не фиксируется на одном горизонте, а распространяется на некоторую высоту печи. Сказанное иллюстрируется рис. 191, согласно которому печь по высоте делится не на две (как на рис. 190), а на три зоны, причем средняя зона, где разность температур газа и материалов незначительна, названа «холостой» высотой, а верхняя и нижняя области, соответствующие верхней и нижней зонам рис. 190, названы первой и второй ступенями теплообмена. Нетрудно видеть, что закономерности теплообмена, вытекающие из предыдущих рассуждений и отраженные на рис. 190, имеют место и на рис. 191: уменьшение разности температур между газами и продуктами плавки по мере движения газов снизу вверх во второй ступени (нижняя зона) и возрастание разности в первой ступени (верхняя зона). Искривление линий на рис. 191 объясняется учетом некоторых деталей, опущенных при схематическом построении рис. 190. В частности, на рис. 191 учтено, что в первой ступени, кроме простого теплообмена, имеет место и некоторый «скрытый» расход тепла — на испарение влаги, разложение гидратов и легкоразложимых карбонатов (FeCO3, MgCO3), — чему соответствует сравнительно более резкое падение температуры близ колошника.

Соображения Б.И. Китаева критиковались А.П. Любаном и другими, причем указывалось на то, что температуры измерялись термопарами, опущенными в печь через шомпольные отверстия, т. е. на периферии; поэтому незначительные изменения температур в «холостой» части печи характерны не для всего объема печи, соответствующего холостой высоте, а только некоторой небольшой периферийной части объема, содержащей мало руды и много шлака.
Б. И. Китаев, считая, что холостой является значительная часть объема доменной печи по высоте, поставил вопрос об уменьшении высоты печей.
Такой вывод вызвал серьезные возражения, основанные на том, что если даже и есть холостая высота, то она является результатом не конструкции (чрезмерной общей высоты) печи, а существа доменного процесса. Что это действительно так, доказывается измерением температур в модели доменной печи (1/20 нормальной высоты), полезной высотой 1225 мм. И.Ф. Коваль показал, что даже на такой маленькой печи при протекании в ней обычного процесса тоже имеется холостая высота, составляющая около 30% всей высоты. Следовательно, при уменьшении высоты печи холостой участок останется.

Ослабленный теплообмен на определенной высоте печи объясняется существенным изменением характера теплопередачи при 800—950°, которая не может осуществиться мгновенно или в небольшом участке пространства ввиду малой разности температур нагревающихся и охлаждающихся тел. Это изменение условий теплообмена как раз характеризуется незначительной разницей температур газа и материалов. Следует учесть, что восстановительные процессы при температурах 800—950° (область холостой высоты) идут с выделением тепла, а разложение карбонатов в той же области — с поглощением. Это способствует некоторой стабилизации температуры на известной высоте.
Резкое изменение температур в верхней и нижней зонах печи и слабое их изменение в средних подтверждается не только исследованиями, упомянутыми выше, но и более ранними измерениями температур газов по высоте печен США, проведенными Кинни (рис. 192).

Китаев Б.И., Ярошенко Ю.Г., Лазарев Б.Л. Теплообмен в доменной печи

Часть первая
Основы теплофизики доменного процесса
Глава I.
Развитие теорий теплообмена в доменной печи
Теория акад. М. А. Павлова
Теория проф. А. Н. Похвиснева
Теория проф. Б. И. Китаева
Дальнейшее развитие схемы теплообмена печи
Глава II.
Теплообмен в слое (математическое описание)
Нагрев бесконечно теплопроводных кусков в противотоке
Нагрев реальных кусков в противотоке (приближенное решение задачи)
Гидроинтегратор — инструмент для изучения процессов нагрева
Нагрев реальных кусков в противотоке (точнее аналитическое решение задачи)
Нагрев кусков в противотоке при непостоянном соотношении водяных эквивалентов потоков
Нагрев бесконечно теплопроводных кусков в неподвижном слое
Нагрев реальных кусков в неподвижном слое (приближенное решение)
Нагрев реальных кусков в неподвижном слое (точное аналитическое решение)
Учет тепловыделений при телплообмене в слое
Глава III.
Лабораторные работы по определению коэффициентов теплопередачи в слое кусковых материалов
Исследования С. Фурнаса
Исследования О. Саундерса и Г. Форда
Исследования О. А. Цухановой и Е. А. Шапатиной
Исследования
3. Ф. Чуханова и сотрудников
Исследования Р. С. Бернштейна, И, И. Палеева и др

Вегман Е.Ф., Жеребин Б.Н., Похвиснев А.Н. и др. Металлургия чугуна

• формат pdf
• размер 22.36 МБ
• добавлен 30 мая 2010 г.

Под редакцией Ю. С. Юсфина. — М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. — 774 с.: ил. В книге приведены сведения о сырых материалах доменной плавки, методах оценки их качества, современных способах подготовки железных руд к плавке. Освещены теоретические и технологические вопросы окускования железных руд и концентратах. В настоящем третьем издании учебника значительно расширен раздел, посвященный истории производства чугуна и железа. Приведены новые данные о.

Домашнее задание — Расчет параметров тотермана

• формат doc
• размер 27.5 КБ
• добавлен 17 декабря 2009 г.

Предмет «эксплуатация доменныйх печей» в файле приведен расчет параметров тотермана для доменной печи №3 НПО «Тулачермет» объемом 2000 м3.

Домашнее задание — Расчет профиля доменной печи

• формат doc
• размер 70.5 КБ
• добавлен 28 сентября 2010 г.

Исходные данные. Расчет профиля доменной печи по методике А. Н. Рамма. Расчет по методике Н. К. Леонидова.

Клемперт В.М., Френкель М.М., Гришкова А.А. Контроль и управление газораспределением доменной печи

• формат djvu
• размер 10.85 МБ
• добавлен 01 ноября 2010 г.

Москва, «Металлургия», 1993 г. , 142 с. Рассмотрен круг вопросов, относящихся к общей проблеме управления ходом и тепловым состоянием доменной печи: управления ходом печи, контроля загрузки материалов в печь и газораспределением. Проанализировано функционирование АСУ на основе модели газораспределения. Приведены методы и средства контроля качества сырья и его распределения на поверхности уровня засыпи, контроля засыпи, контроля за состоянием и д.

Свинолобов Н.П., Бровкин В.Л. Печи черной металлургии

• формат pdf
• размер 2.26 МБ
• добавлен 22 июня 2010 г.

Учебное пособие для вузов. — Днепропетровск: Пороги, 2004. — 154 стр. Представлены наиболее распространенные печи и тепловые агрегаты по всем технологическим переделам черной металлургии, начиная от подготовки сырья до термической обработки готовой продукции. Технологические цепочки в металлургии. Печи для подготовки сырья. Плавильные печи. Установки для обработки стали в ковше. Предназначено для студентов металлургических специальностей вузов.

Тарусин Ю.Н., Романчук А.Н., Семирягин С.В. Курсовой проект: расчет регенератора мартеновской печи

• формат pdf
• размер 6.8 МБ
• добавлен 06 октября 2011 г.

Алчевск: ДонГТУ., 2002. — 42 с. Методические указания. Для студентов специальности 6.090401. Конструкция регенератора мартеновской печи Пример расчета регенератора мартеновской печи для подогрева воздуха Приложение Теплофизические свойства газов

Фиалков Б.С, Плицын В.Т. Кинетика движения и характер горения кокса в доменной печи

• формат djvu
• размер 9.02 МБ
• добавлен 18 октября 2010 г.

Москва, Изд-во «Металлургия», 1971 г. , 288 с. Рассмотрены закономерности движения шихтовых материалов в доменной печи. Дано описание механизма истечения сыпучих материалов и поступления кокса в зоны циркуляции, структуры зоны горения и влияния ее расположения на работу доменной печи. Подробно рассмотрен вопрос о распределении скоростей движения кусков в столбе шихты. Приведены результаты исследования влияния движения слоя на его структуру. Показ.

Целиков А.И. и др. Машины и агрегаты металлургических заводов. В 3-х томах. Том 1. Машины и агрегаты доменных цехов

• формат djvu
• размер 6.68 МБ
• добавлен 05 октября 2009 г.

Учебник для вузов/A. И. Целиков, П. И. Полухин, В. М. Гребеник, Ф. К. Иванченко, М. А. Тылкин, А. А. Королев, B. П. Лопухин, Д. А. Сторожик, Б. А. Павленко, A. А. Целиков, И. М. Елинсон, В. И. Зюзин. 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Металлургия. 1987. 440 с. В настоящей книге рассмотрены конструкции машин и агрегатов механизированных складов сырья, подготовки шихты, подачи шихтовых материалов к доменной печи, загрузки шихты, для нагрева и подачи.

Часть дипломного проекта. Доменная печь ЕМЗ. Технологическая часть

• формат doc
• размер 651.5 КБ
• добавлен 18 декабря 2009 г.

Часть дипломного проекта. Доменная печь ЕМЗ. Технологическая часть. Устройство доменной печи, технология плавки, охрана труда. На украинском языке.

Ченцов А.В., Чесноков Ю.А., Шаврин С.В. Балансовая логико-статистическая модель доменного процесса

• формат djvu
• размер 2.86 МБ
• добавлен 20 сентября 2010 г.

Издательство: Екатеринбург, УрО РАН Год издания: 2003 164 с. В монографии рассмотрены вопросы анализа и прогнозирования показателей доменной плавки с помощью математической модели, основанной на использовании материальных и тепловых балансов, дополненных расчетами тепло- и массообмена, блоком учета неравномерности распределения газа по радиусу колошника и статистическими данными о влиянии некоторых факторов на показания работы печи. Исследованы п.

Теплотехника доменного процесса

На современном этапе развития теории доменного процесса одной из главных проблем является максимальное использо­вание объема печей, восстановительной способности газов и, в конечном счете, достижение максимальной производитель­ности доменной печи и минимального расхода кокса.

С точки зрения этой проблемы исключительно большое зна­чение в математическом описании доменного процесса имеют вопросы движения шихтовых материалов и газов. Это объяс­няется тем, что скорости движения газов не только определяют характеристики интенсивности протекания процессов тепло- и массопереноса (коэффициенты теплообмена а, массообмена β и т. д.); компоненты скорости движения материалов и газов входят сомножителями в уравнения тепло- и массообмена. Таким образом, расход газа-восстановителя, который можно ввести в печь, и характер его распределения в объеме слоя (неравномерность распределения) непосредственно влияют на закономерности формирования температурного поля в доменной печи и использование восстановительного потенциала газов.

Основным затруднением, возникающим при описании законо­мерностей движения шихты в доменной печи, является дискрет­ная структура материалов, составляющих слой. Размер частиц шихты слишком мал для того, чтобы слой можно было рассмат­ривать как ансамбль точечных масс, но он (размер) и доста­точно велик, чтобы внушить сомнения в правомочности исполь­зования основных положений механики сплошных сред.

Исторически изучение вопросов формирования столба ших­товых материалов началось с попыток выяснить движущую силу, вызывающую перемещение материала в доменной печи. При этом в основном в экспериментах определялась «активная масса» шихты и ее связь с геометрической конфигурацией печи (профилем). Не останавливаясь на достижениях и недостатках этих первых работ, отметим, что их выводы часто были весьма противоречивыми.

Несколько позже внимание исследователей привлекла внеш­няя аналогия между движением шихты в доменной печи и ис­течением сыпучих-сред из различного рода бункеров, распро­страненных в горной, пищевой и строительной промышленностях. Особенно возросло число опубликованных работ, посвященных закономерностям изменения вертикального и бокового давлений в силосах, а также изучению процесса истечения сыпучих из бункеров, после выхода в свет работы Г. М. Малахова [1]. Продолжается публикация такого рода работ и в настоящее время [2].

В этот период основной круг вопросов, интересовавших ис­следователей, заключался в установлении зависимости верти­кального давления от высоты слоя, в определении коэффициента бокового давления, в экспериментальной проверке теоретиче­ского решения X. Янсена и т. д. Результаты этих работ углубили наши представления о статических и динамических процессах в столбе шихтовых материалов, однако они не оставили ничего конструктивного; не было даже получено эмпирическое соотно­шение, обобщающее закономерности изменения коэффициента бокового давления, коэффициента внутреннего трения и т. д. Главным достоинством исследований данного периода в тео­ретическом аспекте является четкое установление факта непри­емлемости решения X. Янсена для анализа работы реальных агрегатов [1—4].

Все же стимулирующее воздействие этих работ было доста­точно велико. Ясно видимые в них недостатки побуждал стремление избежать их в последующих опытах, а конечный итог предыдущих исследований становился отправной точкой для последующих.

Анализ литературы показывает, что «бункерный подход», т. е. признание аналогии движения кокса к фурменным очагам и истечения сыпучих через отверстия бункеров, весьма распро­странен среди исследователей доменного процесса. Этому об­стоятельству во многом способствовала разработка Б. С. Фиал­ковым [3] логически стройного и физически непротиворечивого механизма истечения шихтовых материалов через отверстия. В настоящее время в большей части публикаций существование динамически неустойчивых сводов в слое шихты, эллипсоидов разрыхления и выпуска, а также дискретный характер истече­ния материала не подвергаются сомнению [2, 4, 5].

Отдавая заслуженную дань развитой в работе [3] схеме дви­жения материалов, отметим, что ее применимость к анализу перемещений шихты в доменной печи не самоочевидна. Основ­ным препятствием к перенесению механизма, развиваемого Б. С. Фиалковым [3], на действующие печи является, на наш взгляд, полное игнорирование в нем стенок печи и аэродина­мического воздействия потока газа (то, что в выражениях ра­боты [3] учтена величина Ар_0у не решает проблемы). Кроме того, несколько искусственной выглядит аналогия между плоским горизонтальным отверстием и объемной, неправильной формы зоной циркуляции.

Теоретических работ, посвященных математическому описа­нию движения материалов в слое, относительно мало. Как в случае экспериментальных исследований, эти работы связаны в основном с перемещением нереагирующего (инертного) слоя в бункерах и установках слоевого типа.

Первоначально были предприняты немногочисленные по­пытки использовать для анализа равновесного состояния слоя уравнения теории сплошной среды, в частности разработанную В. В. Соколовским [6] теорию статического состояния грунтов. Поскольку в случае слоя в установках различного типа число неизвестных задачи превышало число уравнений, то для замы­кания системы привлекались дополнительные соотношения. Широко использовалось, например, допущение о достижении в слое условий предельного равновесия, предложение посто­янства коэффициента бокового давления и т. д. Типичными в этом отношении являются исследования Г. А. Гениева [7], Р. Л. Зенкова [8], П. И. Лукьянова [9] и др.

Экспериментальная проверка не подтвердила результатов решения уравнений моделей сплошной среды. Отсюда большин­ством исследователей был сделан вывод о неприемлемости ана­логии сплошной среды для описания статики и движения слоя (см., например, [3]). Интерес к подобного рода моделям иссяк, и начались попытки геометрического и статистического решения проблемы.

Вывод о неприемлемости модели сплошной среды к анализу движения шихтовых материалов в шахтных : печах и, в част­ности, в доменных нам представляется несколько преждевре­менным и недостаточно обоснованным. По-видимому, здесь наб­людается еще один пример довольно часто встречающейся ситуации, когда доверие к безусловно верной идее подрывается из-за неверных вспомогательных предпосылок. Мы уже ука­зывали, что для решения задачи обычно привлекается гипотеза о достижении предельного состояния во. всех точках сыпучего материала в аппарате и одновременно предположение о неза­висимости горизонтальных нормальных напряжений от горизон­тальной координаты. В связи с этим уместно привести выска­зывание Ю. А. Буевича, который, комментируя работы. Д. Вол-кера [10], заметил, что эти допущения не противоречат одно другому лишь в тривиальном случае, когда горизонтальное напряжение вообще исчезает; укажем, что полученные поля напряжения не удовлетворяют уравнениям равновесия [11]. Ю. А. Буевич далее отмечает, что «сама гипотеза об уста­новлении состояния предельного равновесия применительно к сыпучей среде в контейнере представляется весьма сомнительной», и подкрепляет это положение весомыми доказательствами.

Таким образом, модель сплошной среды еще далеко не ис­черпала себя. Необходимо лишь при использовании ее для анализа движения материала в доменной печи не допускать физически сомнительных предпосылок. В частности, следует иметь в виду, что состояние предельного равновесия обычно не имеет места для слоев в реальных аппаратах; предельное усло­вие для силы трения достигается лишь на стенках аппарата, но не в его объеме [12].

Математическому описанию движения материалов собст­венно в доменной печи (а не в бункерах) посвящены многочис­ленные работы Б. С. Фиалкова с сотрудниками, получившие обобщение в монографии [3]. Заметим, однако, что в методике расчета скоростей движения материала, изложенной в [3], спе­цифика доменного процесса фактически не учитывается. По сути дела здесь также описано истечение сыпучей среды через гори­зонтальное круглое отверстие (или группу отверстий) контей­нера самого произвольного профиля с поперечным сечением любой формы. Эта всеобщность методики обусловлена тем, что влияние стенок печи на закономерности движения шихты в уравнениях работы [3] совершенно не отражено. Иными сло­вами, согласно развитой Б. С. Фиалковым математической модели движения шихты в доменной печи, профиль печи совер­шенно не влияет на поле скоростей материала (см., например, рис. 67 работы [3]). С этим трудно согласиться, ибо многолетняя практика доменного производства свидетельствует об обратном.

Разработанный в [3] механизм истечения сыпучего материала через отверстие, как отмечено выше, физически логичен и не­противоречив. Этого, к сожалению, нельзя сказать о математи­ческом оформлении данного механизма. Уже то, что в основе описания динамического процесса истечения лежит решение чисто статической задачи, не может не вызвать сомнения в пер­спективности такого подхода. Эти сомнения еще более усили­ваются при внимательном анализе основного соотношения методики [3] — уравнения (14). Как следует из рассмотрения рис. 2 работы [3], угол а, описывающий форму свода (динами­чески неустойчивого), изменяется от 65° (в основании свода) до 0° (в центре свода). В то же время уравнение (14) имеет смысл лишь при углах, незначительно отличающихся от α=arctgμ (порядка 26,5—38,5° для различных значений μ). При любых других значениях угла α его приращение Δα >не будет бесконечно малым, как это утверждается в [3], а в центре свода (а=0) уравнение (14) вообще дает бесконечность (на рис. 2 в этой точке Δα = 0). Наконец, отметим, что упомянутая методика целиком базируется на уравнении сохранения массы; уравнение сохранения количества движения не использовано.

Источник https://metal-archive.ru/domennyy-process/2162-osobennosti-teploperedachi-v-domennyh-pechah.html

Источник https://www.studmed.ru/kitaev-bi-yaroshenko-yug-lazarev-bl-teploobmen-v-domennoy-pechi_2ea766dc6e9.html

Источник https://markmet.ru/kniga-po-metallurgii/teplotekhnika-domennogo-protsessa