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 способы уменьшения переувлажнения слоя окатышей при различных тепловых схемах зоны сушки обжиговой машины и выработать рекомендации для фабрик окомкования различных горно-обогатительных комбинатов России.
Объект исследования - технология термообработки железорудных окатышей на обжиговой конвейерной машине.
Предмет исследования - процессы сушки и переувлажнения слоя окатышей.
1.3. Научная новизна
- усовершенствовано математическое описание процессов сушки и переувлажнения слоя окатышей на обжиговой машине с использованием современных представлений о поведении влаги;
- впервые описаны условия возникновения потока капельной влаги над слоем при продуве и разработан математический инструмент для оценки влияния различных факторов на интенсивность «дождя» при сушке окатышей продувом теплоносителя;
- установлены закономерности и специальные характеристики процессов переувлажнения, которые затем включены в существующую общую математическую модель термообработки окатышей;
- определены 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
Методы исследований базируются на принципах физического моделирования слоевых процессов. Опытно-промышленный эксперимент технологии спекания выполнен на действующем производстве. 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 страниц, в том числе 41 рисунков и 7 таблиц.
В диссертационной работе, посвященной разработке способов управления процессом переувлажнения на обжиговой конвейерной машине, получены следующие основные научные и практические результаты:
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 (F¿), опасное для целостности окатышей переувлажнение слоя (Fon)и интенсивность образования свободной влаги (gce).Программная реализация адаптированной математической модели позволила получить результаты моделирования процесса сушки по длине машине 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 сырых окатышей до 500 - 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».
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
