АНАЛИЗ МЕТОДОВ РАСЧЕТА МАТЕРИАЛЬНОГО И ТЕПЛОВОГО БАЛАНСОВ ПРОЦЕССА РОМЕЛТ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПУТЕЙ ИХ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ
В металлургии накоплен большой опыт разработки методов расчетов технологических процессов,
У истоков создания современных методов расчета доменной плавки стояли такие ученые, какР, Бунзен, Л.
Грюнер, Р. Окерман, Г. Рокур, А.Н. Рамм [15-17]. В частности, А.Н. Рамм впервые предложил метод расчета удельного расхода кокса при выплавке чугуна в доменных печах. До появления этого метода расходом кокса задавались и расчетом определяли лишь расходы руды, агломерата и флюса. Метод А.Н. Рамма в короткое время завоевал всеобщее признание и стал основой для проведения проектных и технологических расчетов в доменном производстве.Методы расчета доменного процесса отличаются друг от друга способом составления теплового баланса. Первый основан на предположении, что при восстановлении каждого из элементов происходит диссоциация оксида на элемент (или низший оксид) и кислород с последующим окислением восстановителя. По второму способу процесс восстановления рассматривается как одна реакция оксида с восстановителем без рассмотрения стадий диссоциации оксида и окисления восстановителя, что соответствует действительности. Расчет по третьему способу основан на учете полной теплоты сгорания углерода, т.е. теплоты окисления твердого углерода до С02, что фиксируется соответствующей статьей в приходной части баланса; в расходе появляются две статьи; химическое тепло образовавшихся газов и химическая энергия углерода, растворенного в чугуне [18].
Разработан также зональный метод расчета теплового баланса доменного процесса. Так как условия теплопередачи в верхней и нижней зонах доменной печи существенно отличаются, следовательно, тепловой баланс каждой из них можно рассматривать отдельно [19-21].
Разработано большое количество методов расчета сталеплавильных процессов, которые стали основами для синтезирования статических и динамических математических моделей мартеновского, конверторного и др.
процессов [22-25].Исследованию и построению математических моделей процесса РОМЕЛТ посвящено несколько работ. В отличие от доменного, мартеновского и др. процесс РОМЕЛТ сравнительно новый и его модели находятся на начальной стадии разработки. Для возможности осуществления непрерывного контроля некоторых технологических параметров процесса РОМЕЛТ (концентрации ЕеО в шлаке, концен-трации твердого углерода в расплаве, концентрации серы, ванадия, хрома в металле, концентрации СО, СОг в газах, температуры шлакового расплава и др.) было создано несколько динамических математических моделей [26-29].
Однако имеющиеся динамические математические модели не позволяют непрерывно контролировать процесс РОМЕЛТ в целом. Также они не решают вопросов прогнозной оценки различных технологических режимов. Для этого требуется наличие статических балансовых моделей, которые позволят осуществлять управление процессом РОМЕЛТ в режиме «советчика» мастера.
С момента создания процесса РОМЕЛТ в 1979 году в литературе было представлено четыре методики расчета его материального и теплового балансов. Модели процесса, основанные на предложенных методиках, по возможности учета изменения параметров во времени являются статическими, т.к. позволяют определять оптимальные значения исходных параметров (например, расход материалов) и возможные значения конечных параметров (состав металла, шлака и т.д.) и представляют собой системы конечных уравнений. Подробная сравнительная характеристика этих методик представлена в табл. I.
Процесс жидкофазного восстановления железа РОМЕЛТ коренным образом отличается от традиционной доменной плавки и поэтому применение методик расчета материального и теплового балансов, разработанных для: доменного процесса, к процессу РОМЕЛТ требует существенной корректировки дня получения адекватных результатов.
В связи с этим уже на ранней стадии освоения процесса РОМЕЛТ возникла необходимость в создании оригинальной методики расчета материального и теплового балансов.
Сравнительная характеристика опубликованных, методик расчета материального и теплового балансов процесса РОМЕЛТ Характеристика методики Методика расчета I II III IV 1 2 3 4 5 Источники [30-32] [34] [41-43] [39] Дата публикации 1992 г. 1995 г. 1989 г. 1996 г. Алгоритм расчета в целом по печи в целом по печи по зонам печи по зонам печи Основа методики система из 3-х уравнений по материальному и тепловому балансам:а) уравнение по выходу металла;
б) уравнение по основ-ности шлака;
в) уравнение теплового баланса плавки. уравнение теплового ба-ланса печи система из 4-х урав-нений по материаль-ному балансу:
а) уравнение баланса углерода;
б) уравнение по ос-новности шлака;
в) уравнение выхода шлака;
г) уравнение выхода металла. система из 3-х уравнений по материальному балансу:
а) уравнение по производительности;
б) уравнение по балансу углерода;
в) уравнение по основности шлака. Возможность учета окисления углерода до СОг кислородом дутья на нижние фурмы нет нет да нет Учет расхода углерода на взаимодействие с диоксидом углерода ле-тучих в шлаковой ванне нет нет нет да 1 2 3 4 5 Учет расхода углерода на взаимодействие с диоксидом углерода карбонатов в шлаковой ванне нет нет да да Учет расхода углерода на взаимодействие с влагой в шлаковой ванне нет нет да да Учет расхода углерода на взаимодействие с кислородом дутья на верхние фурмы нет нет да нет Пылевынос материалов нет нет Да да Учет выноса капель шлака из печи нет нет да нет Содержание FeO в шлаке рассчитывается по за-данному коэффициенту перехода железа в шлак не учитывается задается задается: Содержание углерода в металле задается задается задается задается Содержание кремния, марганца, фосфора, хрома, ванадия в металле рассчитывается по за-данным коэффициентам распределения задается только содержание кремния (остальные не учитываются) рассчитывается по термодинамическим уравнениям, опреде-ляющим равновесные концентрации элемен-тов в металле и шлаке содержание кремния и марганца задается, а остальных - рассчиты-вается по заданным коэффициентам рас-пределения
1 2 3 4 5 Учет количества кисло-рода, необходимого для окисления серы шихты и ее перевода в газ да нет нет нет Основность шлака задается задается задается задается Производительность печи не рассчитывается (расчет ведется на 1т получаемого металла) не рассчитывает рассчитывается задается Расход железосодержащих материалов рассчитывается не рассчитывает задается рассчитывается Расход флюса рассчитывается рассчитывает рассчитывается рассчитывается Расход углеродсодер- жащих материалов рассчитывается рассчитывается рассчитывается рассчитывается Расход дутья на нижние фурмы рассчитывается задается задается задается Расход дутья на верхние фурмы рассчитывается в расчете не используется рассчитывается рассчитывается Температура шлаковой ванны в расчете не используется в расчете не используется задается задается Температура отходящих газов задается задается рассчитывается задается Возможность учета ув-лажнения дутья на нижние фурмы да нет нет нет Возможность учета ув-лажнения дутья на верхние фурмы нет нет нет нет
1 2 3 4 5 Возможность учета на-грева дутья нижних фурм да да нет да Возможность учета на-грева дутья верхних фурмы нет нет нет да Приведение состава газа после дожигания к равновесным условиям нет нет да да Учет подсосов воздуха в печь нет нет нет да Степень дожигания задается задается рассчитывается рассчитывается Расчет химического со-става летучих компо-нентов угля по их эле-ментному составу нет
(сразу задается химический состав летучих компонентов угля) нет нет да Возможность учета расхода вдуваемого через нижние фурмы природного газа нет нет нет нет Учет участия тшролн- тического углерода в окислительно- восстановительных процессах в шлаковой ванне нет нет нет да Тепловые эффекты ре-акций при температуре 298К при температуре 298К при температуре 298К при реальной температуре в печи 1 2 3 4 5 Внешние потери теплоты задается (в кДж/кг СфИКС) задается
(Б кДж/кГ Сфикс) рассчитывается для каждой из двух зон печи задается (в ГДж/т металла) Учет тепла, затраченного на возгон восстанов-ленных элементов, и тепла, выделяющегося при их окислении кислородом дутья верхних фурм нет нет нет да Возмолсность учета на-грева шихты нет нет да да Тепло на деструкцию угля учитывается не учитывается не учитывается не учитывается Расчет дожигания газа в котле-утилизаторе нет нет нет нет Учет влияния геомет-рических размеров печи на показатели процесса нет нет нет нет Наличие программного продукта(оболочка) нет (-) нет (-) да (MS DOS) да (MS DOS) "Гибкость" программного продукта* - - нет нет * возможность использования в расчете любого количества шихтовых материалов (железосодержащих, флюсующих и углеродсодержащих) с заданием их
доли в соответствующей шихте; возможность пересчета химического состава любого шихтового материала до 100% при отсутствии такового; возможность графического анализа плавки при задании изменения какого-либо параметра с определенным шагом; возможность составления отчета о проделанном расчете, сохранение его в отдельный файл и вывод на печать и другие возможности, упрощающие работу пользователя с программным продуктом.