VI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2014

Прогресс в области технологии производства черных и цветных металлов диктует необходимость повышения требований к технологическим процессам их получения. В переработку поступает все более сложное, комплексное сырье, содержащее, помимо основного извлекаемого материала, ряд других ценных компонентов. Для того чтобы соответствовать постоянно ужесточающимся требованиям к качеству продукции и объемам выбросов, агломерационные фабрики должны быть оснащены информационными системами для управления производством. Основное назначение таких систем состоит в том, чтобы обеспечить обработку информации о технологическом процессе и на основе полученных результатов получить возможность принятия правильных решений персоналом, управляющим технологическим процессом. Информационные системы работают наиболее эффективно, если в их структуре имеются системы поддержки принятия решений, основу которых составляют математические модели, позволяющие прогнозировать ход и результат технологического процесса при изменении каких-либо условий (состав шихты, влажность и т.д.). Одним из наиболее сложных вопросов при агломерации железных руд является формирование характерных зон (сушка, переувлажнение и др.) в слое.

Математическая модель технологии агломерации железных руд создана коллективом ООО «НПВП ТОРЭКС». Она, в частности, была использована для исследования процессов формирования зон в аглослое. На этот процесс влияют многие параметры шихты и потока газа, однако в литературе обычно анализируются только две зоны – горения углерода и сушки шихты.

Математическая модель технологии агломерации железных руд ООО «НПВП ТОРЭКС» и некоторые ее особенности учитывают то, что агломерация железных руд является типичным двумерным тепло-массообменным процессом. На его начальном этапе (в период зажигания топлива и внешнего нагрева слоя) формируются зоны протекания отдельных тепловых и физико-химических процессов, а в дальнейшем, при отсутствии внешних возмущений, сформировавшиеся зоны перемещаются вниз по слою с постоянной скоростью. Поэтому проследить ход процесса формирования отдельных зон можно только моделированием кинетики всех тепловых, физико-химических процессов и фазовых превращений в аглослое при конкретных параметрах газового потока и шихты. В качестве иллюстрации этих соображений можно привести оценку влияния на формирование зон горения и сушки таких факторов, как скорость фильтрации и удельная поверхность материала шихты в слое. С этой целью был исследован процесс спекания агломерата на агломашине длиной 30 м. Результаты моделирования показали, что процесс агломерации делится по длине машины на два принципиально отличающихся участка, первый из которых характеризуется переходным режимом при формировании зон и практически заканчивается до выхода слоя аглошихты из-под горна. Второй участок отличается сравнительно стабильным состоянием зон горения и сушки и почти постоянной по высоте слоя (и длине машины) скоростью спекания, то есть это участок с установившимся режимом процесса.

Из анализа результатов моделирования следует, что при изменении скорости фильтрации от 0,2 до 0,3 м/с зоны сушки и нагрева почти не перестраиваются по высоте слоя. Это можно объяснить тем, что сильное возмущение компенсируется почти пропорциональным увеличением скорости спекания (скорость фильтрации увеличилась в 1,5 раза, скорость спекания от 13,2 до 21,7 мм/мин, т.е. в 1,65 раза). При увеличении скорости фильтрации положение нижней границы зоны горения в слое по длине машины почти не изменяется, но толщина зоны горения сокращается практически в 2 раза, благодаря интенсификации процесса горения углерода.

Совершенно иная картина формирования зон наблюдается при изменении среднего диаметра и, соответственно, удельной поверхности шихты. При относительно большой удельной поверхности шихты (диаметр шихты 1,5 мм) зона сушки формируется на длине 1,5 м (в течении 1 мин) толщиной около 8 мм, еще до зажигания топлива и движется вниз по слою с постоянной скоростью.

При увеличении диаметра частиц до 5,5 мм, что соответствует снижению удельной поверхности слоя в 3,7 раза, картина формирования зон резко изменяется. Благодаря уменьшению градиента температуры газа по высоте слоя и соответствующему ухудшению интенсивности теплообмена, процесс сушки шихты до зажигания топлива проникает на большую глубину. При этом толщина зоны сушки увеличивается почти в 3 раза, т.е. увеличивается практически пропорционально росту удельной поверхности, а верхняя ее граница движется по слою почти с постоянной скоростью. Толщина зоны нагрева также увеличивается примерно в 2 раза, а температура газа на входе в зону сушки повышается до 180С. Зона горения углерода несколько «запаздывает», вследствие замедленного нагрева шихты, а также расширяется в 1,5 раза (при прочих постоянных условиях). Следует отметить, что скорости спекания и сушки при увеличении диаметра шихты одинаково растут по затухающей кривой. Этот пример демонстрирует определяющую роль кинетики отдельных процессов при формировании зон в аглослое.

Таким образом, результаты моделирования показали, что формирование зон при агломерации железорудных материалов определяется кинетикой всех процессов, сопровождающих спекание, и при изменении какого-либо параметра шихты или газа перестройка зон носит индивидуальный характер.