Исследование газопроницаемости слоя зернистого материала с помощью математической модели

ВЕСТНИК

ПРИАЗОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА 2000 г. Вып.№9

УДК 622.788.36

Русских В.П.1, Кривенко C.B.2, Кривенко О.В.3

ИССЛЕДОВАНИЕ ГАЗОПРОНИЦАЕМОСТИ СЛОЯ ЗЕРНИСТОГО МАТЕРИАЛА С ПОМОЩЬЮ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

Представлены результаты исследований газопроницаемости слоя окомкованной аглошихты с помощью разработанной модели. Определены массовый и количественный гранулометрические составы; эквивалентный диаметр гранул; порозность и свободная площадь поперечного сечения слоя; общий периметр поперечного сечения, радиус и количество каналов; фактическая скорость движения, плотность и давление газа; число Рейнольдса; коэффициент сопротивления.

Разработанная модель предназначена для определения газодинамических характеристик слоя зернистого материала по высоте слоя и включает описание распределения гранулометрического состава окомкованной агломерационной шихты (АШ) по высоте слоя; укладку гранул в слой и расчет движения газа в слое [1]. Для каждого сечения по высоте слоя определяются массовый и количественный гранулометрические составы; эквивалентный диаметр гранул; порозность и свободная площадь поперечного сечения слоя; общий периметр поперечного сечения, радиус и количество каналов; фактическая скорость движения, плотность и давление газа; число Рейнольдса; коэффициент сопротивления.

На аглофабрике ММК им.Ильича исследовалась газопроницаемость слоя окомкованной АШ в зависимости от ее массовой влажности и порозности [2]. Отобранные пробы шихт рассеивались по фракциям. По данным рассева описывался массовый гранулометрический состав, на основе которого по известной методике рассчитывалось количественное распределение [3]. Получено, что максимум распределения количественного гранулометрического состава соответствовал крупности гранул 0.3-0.5 мм и смещен в область более мелких фракций по сравнению с максимумом массового распределения (1,7-3,3 мм). Это объясняется тем, что при одинаковом весе монофракционных шихт из мелких и крупных гранул, количество первых больше.

По полученному распределению количественного гранулометрического состава моделировался слой окомкованной АШ путем укладки гранул в цилиндрическое тело по уровням снизу вверх и по слоям снаружи внутрь (рис.1).

Радиус формируемого цилиндрического тела Аи = 12,5 мм. При Ra, меньшем максимального диаметра гранул (Z)0 = 12 мм) возможно "подвисание" гранул при их укладке в тело; высокая погрешность моделирования за счет возрастающего движения воздуха вдоль стенок цилиндра. Высота формируемого слоя 7/сл = 0,21 м.

Для описания изменения гранулометрического состава по высоте слоя АШ разработана специальная методика [1]. Однако, для рассматриваемых условий гранулометрический состав по высоте слоя не изменялся.

Рис. 1 - Формирование слоя окомкованной аглошихты

1 ПГТУ, канд. техн. наук., доц.

2 ПГТУ, аспирант

3 ПГТУ, канд. техн. наук., асе.

Сформированный в цилиндрическом теле слой АШ разбивался по высоте на 100 элементарных объемов. Воздух через него продувался снизу вверх. Для каждого элементарного объема реальный слой заменялся на идеальный, т.е. одинаковыми цилиндрическими каналами радиусом Як и количеством Перепад давления определялся как сумма потерь давления через каждый элементарный объем сверху вниз по основному уравнению движения газа [1].

Для рассматриваемых условий температура воздуха по высоте слоя постоянная Тв = 293 К. Атмосферное давление - .101300 Па. Вязкость воздуха при этой температуре Уг = 1,51 • 10'5 м2/с. Расход воздуха через сформированный слой шихты Свозд = 5 • 10"3 м3/с.

Для расчета коэффициента сопротивления движению воздуха по результатам исследований получено выражение на основе закона Блазиуса

36,4

V =

Яе

0,847 '

где 36,4; 0,847 - коэффициенты, полученные в результате адаптации математической модели к результатам исследований, проведенных на аглофабрике ММК им.Ильича; Яе - число Рейнольдса.

В результате исследований установлено, что зависимости порозности слоя; фактической скорости и плотности воздуха в каналах; общего периметра, радиуса и количества каналов; числа Рейнольдса; коэффициента сопротивления; потерь давления через слой имеют экстремальный характер от массовой влажности АШ (рис.2 и 3). Влажности для максимума порозно-

Рис.2 - Результаты исследований характеристик слоя АШ:

о,«, х, ~ - рассчитанные пороз-ность £, общий периметр ¿£, радиус количество каналов Л^ц, соответственно

Рис.3 - Результаты исследований характеристик слоя АШ:

; о, », х, — рассчитанные фак-| тическая скорость движения | воздуха в каналах со, число ¡3; Рейнольдса Яе, коэффициент 32 сопротивления ц; и давление Р, соответственно

5,50

6,00 6,50

Влажность, %

сти слоя и минимума фактической скорости воздуха в каналах совпали. Влажности для максимумов радиусов каналов и числа Рейнольдса, минимумов общего периметра каналов, их количества, коэффициента сопротивления, давления равны. Массовая влажность для максимума расчетной газопроницаемости совпала с полученной в результате исследований, проведенных на аглофабрике ММК им.Ильича, и составила Ж = 6,7 %. Влажность для максимума газопроницаемости больше на « 0,3 %, чем для максимума порозности, так как при этом больше эквивалентный диаметр гранул АШ. Это обусловлено увеличением общего объема пустот в слое АШ, а также взаимосвязью эквивалентного диаметра гранул и каналов для движения газов.

Порозность слоя для исследованных АШ изменялась ог 38,34 % до 44,89 %; общий пери-

метр цилиндрических каналов - от 164,90 мм до 248,47 мм; радиус каналов - от 0,585 мм до 1,066 мм и их количество - от 30 до 77; фактическая скорость воздуха в слое - от 0,485 м/с до

0.603.м/с; плотность воздуха - от 1,205 кг/м3 ду 1,217 кг/м3; число Рейнольдса - от 39,0 до 62,7; коэффициент сопротивления - от 1,20 до 1,78, Чем больше в шихте фракций крупностью < 2 мм, тем порозность слоя, общий периметр и количество каналов, фактическая скорость и плотность воздуха в слое, коэффициент сопротивления имели большее значение, а радиус каналов и число Рейнольдса - меньшее (при одинаковом расходе воздуха через слой).

В связи с тем, что для проведенных исследований изменение гранулометрического состава по высоте слоя не было, то порозность, общий периметр каналов и их количество изменялись вблизи среднего значения соответствующего каждой пробе. Рассчитываемые параметры движения газа по высоте изменялись постепенно. Фактическая скорость движения и плотность воздуха в каналах, число Рейнольдса, потери давления через слой увеличивались. Коэффициент сопротивления уменьшался.

Результаты моделирования с достаточной точностью совпали с данными исследований газопроницаемости слоя окомкованной АШ, проведенных на аглофабрике ММК им.Ильича [2]. При этом выборочный коэффициент корреляции составил га - 0,82.

На основе разработанной математической модели газопроницаемости слоя окомкованной АШ разработан новый способ оптимизации процессов укладки АШ на аглоленту, зажигания и спекания с учетом их комплексного влияния на производительность агломашины, качество агломерата и энергетические затраты [4].

Выводы

1. Разработанная модель газопроницаемости слоя окомкованной АШ позволяет рассчитывать потери давления при движении газа через слой с учетом свойств сыпучего материала, его гранулометрического состава и свойств газа, а также их изменения по высоте слоя.

2. Установлены значительные колебания исследованных технологических параметров АШ для условий аглофабрики ММК им.Ильича. Следовательно, качество окомкования АШ низкое и не обеспечивает максимальной газопроницаемости ее слоя.

3. Для получения высокой производительности агломашины и качественного агломерата при минимальных энергетических затратах необходима оптимизация хода процесса агломерации. Это достигается регулированием начальной газопроницаемости слоя АШ, процессов укладки шихты, зажигания и спекания с помощью разработанной модели.

Перечень ссылок

1. РусскихВ.П., Кривенко СВ., Кривенко О.В. Модель газопроницаемости слоя шихты //

Придншровський науковий вютник - 1998. - № 95(162), - С.27-29.

2. Русских В П., Кривенко С,В., Кривенко О.В. Исследование газопроницаемости слоя агло-

шихты // Придншровський науковий вютник - 1998. - № 96(163). - С.6-8.

3. Исследование распределения концентраций от фракционного состава компонентов аглошихты / Власюк Ю.Н., Русских В.П., Кривенко О.В., Кривенко C.B. // Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр. - Мариуполь, 1997. - Вып. 3. - С. 17-21.

4. Русских В.П., Кривенко C.B. Повышение газопроницаемости спекаемого слоя аглошихты //

Вестник Приазов. госуд. техн. ун-та: Сб. научн. тр. - Мариуполь, 1998. - Вып.8,- С. 15-17.

Русских Владимир Петрович. Канд. техн. наук., доц. кафедры металлургии чугуна, окончил Ждановский металлургический институт в 1966 году. Основные направления научных исследований - совершенствование агломерационного и доменного процессов и снижение себестоимости производимого агломерата и чугуна, снижение энергозатрат на производство Кривенко Сергей Викторович. Аспирант кафедры металлургии чугуна, окончил Приазовский государственный технический университет в 1996 году. Основные направления научных исследований - совершенствование аглопроцесса и снижение себестоимости производимого агломерата, изучение закономерностей движения газов в слое зернистых материалов. Кривенко Ольга Викторовна. Канд.техн.наук., ассистент кафедры Вычислительной техники и прикладной математики. Окончила Приазовский государственный технический университет в 1996 году. Основные направления научных исследований - совершенствование аглопроцесса и