Моделирование процессов доменной плавки


В. П. Лялюк










МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ


Монография


















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2020

УДК669.162.26
ББК34.323
    Л97






Рецензенты:
кандидат технических наук, доцент И. Г. Ризницкии; кандидат технических наук, доцент Ф. М. Журавлев








      Лялюк, В. П.
Л97 Моделирование процессов доменной плавки : монография. - Москва ; Вологда : «Инфра-Инженерия», 2020. - 160 с.
         ISBN 978-5-9729-0400-6

    Приведен ряд примеров физического моделирования некоторых процессов доменной плавки, а также разработанных технических и технологических решений, которые были защищены патентами на изобретения и после проведения лабораторных экспериментов приняты к внедрению на комбинате «Криворожсталь».
    Для специалистов в области металлургии, а также студентов, аспирантов, преподавателей и научных работников.

                                                УДК669.162.26
                                                ББК34.323







ISBN 978-5-9729-0400-6

© Лялюк В. П., 2020
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2020
                         © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020

ВВЕДЕНИЕ


  Процессы доменной плавки протекают в закрытом объёме, из-за чего отсутствуют возможности визуального наблюдения за их ходом и непосредственного измерения тех или иных технологических параметров. Вместе с тем для управления этими процессами и явлениями необходимо чёткое и адекватное представление об их физической сущности и особенностей протекания в различных условиях.
  Наряду с исследованиями теоретического характера, важным методом решения проблемы является моделирование отдельных сторон процессов нагрева и плавления, восстановления и газодинамики в лабораторных условиях. Здесь возможны как визуальные наблюдения за процессами доменной плавки, так и непосредственные измерения характеризующих их параметров. Физическое моделирование достаточно широко распространено для исследования доменной плавки, а также для отображения и изучения явлений её составляющих.
  В числе таких явлений важное место принадлежит вопросам взаимного распределения шихтовых материалов на колошнике и газового потока в горне печи, оказывающим решающее влияние на использование энергии газа и ход доменной плавки. Исходя из этого, одним из главных каналов управления доменной плавки является изменение режима загрузки шихтовых материалов.
  Горение кокса в кислороде дутья, поступающего в горн доменной печи через воздушные фурмы - другой важнейший процесс плавки чугуна, обуславливающий образование восстановительного газа и выделение необходимого для хода доменной плавки тепла.
  Не менее важными для изучения и управления также являются процессы движения потоков газа и шихты, распределения газа и температур по сечению и высоте доменной печи, оказывающие определяющее влияние на процессы тепло- и массообмена, образование чугуна и

3

шлака, качество чугуна, потери тепла и стойкость огнеупорной футеровки, горение воздушных фурм.
  Важнейшие технико-экономические показатели работы печи, такие как интенсивность плавки и расход кокса, производительность и продолжительность кампании печи в значительной мере зависят от степени совершенства режима горения топлива у воздушных фурм.
  В связи с изложенным, важной задачей теории и технологии доменной плавки является уяснение сущности и особенностей протекания рассматриваемых процессов, в тех или иных условиях, изучение происходящих здесь явлений. В числе прочих методов такая задача решается на специально создаваемых для этого холодных и горячих экспериментальных установках (физических моделях).
  Окончательная проверка установленных здесь закономерностей осуществляется в ходе опытно-промышленных и промышленных экспериментов и опытных плавок, проводимых на действующих печах.
  Настоящая монография посвящена изложению основных вопросов постановки лабораторного эксперимента по физическому моделированию некоторых процессов доменной плавки и имеет целью научить студента обучающегося по программе магистра специальности “Металлургия”, специализации “Металлургия чугуна” методически правильным приёмам проведения инженерного эксперимента.

4

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ


  Понятие - целостная совокупность суждений, т.е. мыслей, в которых что-либо утверждается об отличительных признаках исследуемого объекта, ядром которой являются суждения о наиболее общих и в то же время существенных признаках этого объекта. Понятие не сводится к дефиниции, т.е. краткому указанию одних существенных признаков объекта. Краткая характеристика используемых в настоящем книге понятий приведена ниже [1]:
  Исследование - процесс научного познания какого-либо объекта (предмета, явления) с целью выявления его закономерностей, возникновения, развития и изменения. Подлинное исследование есть единство накопленного предшествующего опыта (имеющихся знаний), применения соответствующих инструментов, орудий и методов, обеспечивающих получение новых научных знаний - объективной истины. Исследование включает применение частных, свойственных отдельным наукам (физике, химии и т.д.), и общенаучных методов (анализ, синтез, индукция, дедукция, аналогия, гипотеза и др.).
  Различают два взаимосвязанных уровня научного исследования:
  -    эмпирический - нахождение новых фактов и формулирования на их основе анализа, синтеза и обобщения эмпирических закономерностей;
  -    теоретический - формулирование общих для данной предметной области закономерностей, на основе которых глубже интерпретируются не только новые факты, но и полученные на эмпирическом уровне знания.
  Основными компонентами научного исследования являются: постановка задачи, предварительный анализ имеющейся информации, условий и методов решения задач данного класса (литературный обзор), формулировка исходных гипотез, планирование и организация

5

эксперимента, проведение эксперимента, анализ и обобщение полученных результатов, проверка исходных гипотез на основе полученных фактов, окончательная формулировка новых закономерностей, получение объяснений и научных предсказаний.
  Познание - приобретение в ходе общественно-практической деятельности человека истинных знаний об объективном мире. Исходный пункт познания - ощущения, восприятия и представления, т.е. непосредственное созерцание предметов и явлений реального мира. Задача познания - выявление общего, существенного. Это достигается на второй ступени познания, когда на основе практической деятельности человека появляется мышление. Извлекая из данных, полученных с помощью органов чувств, общее и существенное человек с помощью суждений, умозаключений и понятий познаёт закономерности окружающего мира.
  На каждой ступени развития познание имеет относительный характер. Оно охватывает приблизительно всеобщие закономерности природы. В процессе развития уровень познания всё более приближается к объективной истине.
  Истина - отражение в сознании человека предметов, явлений и закономерностей объективного мира такими, какими они существуют вне и независимо от познающего объекта; соответствие содержания мыслей (суждений и понятий) объекту, проверяемое практикой. Но истина это не только достигнутый результат в виде суждений, понятий, теорий. Это процесс движения от незнания к знанию, от менее к более глубокому знанию. Отражая материальную действительность в пределах ограниченных средствами и возможностями, имеющимися в распоряжении человека, всякая истина всегда относительна, так как не охватывает всего содержания предмета или явления. По мере прогресса познания человек постепенно преодолевает относительность истины, но не устраняет её полностью.

6

  Анализ - логический приём, метод исследования, состоящий в том, что изучаемый предмет мысленно или практически расчленяется на составные элементы (признаки, свойства, отношения), каждый из которых затем исследуется в отдельности, как часть расчленённого целого, для того, чтобы выделенные элементы затем соединить с помощью другого логического приёма - синтеза - в целое, обогащённое новыми знаниями.
  Синтез - мысленное соединение частей предмета, расчленённого в процессе анализа, установление взаимодействия и связи частей и познание этого предмета как единого целого. Синтез не является простым суммированием частей. Новым здесь является познание взаимодействия частей как целого.
  Индукция - (от частного к общему) форма мышления, посредством которой мысль наводится на какое-либо общее правило, общее положение, присущее всем единичным предметам какого-либо класса. Познание окружающего мира человек начинает с изучения единичных вещей, явлений, фактов. Отталкиваясь от частных случаев, он приходит к общему правилу, от фактов к обобщению.
  Дедукция - (от общего к частному) - такая форма мышления, когда новая мысль выводится чисто логическим путём из некоторых данных, мыслей, посылок. Такая последовательность мыслей называется выводом, а каждый компонент этого вывода является либо доказанной мыслью, либо аксиомой, либо логически вытекает из предыдущих мыслей. Последняя мысль такого рассуждения называется выводом, заключением.
  Аналогия - подобие, сходство предметов в каких-либо свойствах, признаках или отношениях, причём таких предметов, которые в целом различны. Умозаключение по аналогии - это логический вывод, в результате которого достигается знание о признаках одного предмета на основе его сходства с другими предметами.

7

  Гипотеза - вероятное предположение о причине каких-либо явлений, достоверность которого в данный момент не может быть доказана и проверена, но которое объясняет данные явления. Гипотеза необходима в случае если:
  -  известные факты недостаточны для объяснения явления;
  -    факты сложны и гипотеза служит первым шагом в обобщении знаний в данный момент и их разъяснении;
  -    причины, произведшие или производящие факты недоступны опыту.
  Доказательство - логическое действие, в ходе которого истинность какой-либо мысли обосновывается с помощью иных мыслей. Состоит из трёх частей: тезиса, доводов и демонстрации. Может быть прямым и косвенным, индуктивным и дедуктивным:
  -    прямое доказательство основывается на каком-либо неоспоримом начале, из которого непосредственно выводится истинность тезиса;
  -    косвенное доказательство - истинность тезиса обосновывается посредством опровержения истинности противоречащего тезиса;
  -    индуктивное доказательство - общее суждение обосновывается с помощью единичных или менее общих суждений;
  -    дедуктивное доказательство - тезис, являющийся единичным или частным суждением, подводится под общее правило.
  Тезис - мысль или положение, истинность которого требуется доказать. Тезис должен быть истинным, т.е. соответствующим объективной действительности. Ложный тезис недоказуем.
  Тезис должен быть:
  -  суждением ясным и точно определённым;
  -    оставаться тождественным, т.е. одним и тем же, на протяжении всего доказательства;
  -    не должен содержать в себе логических противоречий; в том числе по отношению к суждениям, высказанным ранее;

8

  -  обоснован фактами;
  -    определять собой весь ход доказательства так, что бы в результате было доказано это, что требовалось доказать.
  Теория - обобщение опыта, практики общественно-производственной и научной деятельности, вскрывающее основные закономерности развития областей материального мира; отражение объективного мира в сознании человека.
  Эксперимент - научно-поставленный опыт; целенаправленное изучение явления, в точно учитываемых условиях, когда имеется возможность следить за изменением явления, активно воздействовать на него с помощью разнообразных приборов и средств и воссоздавать это явление каждый раз, когда на лицо те же самые условия.
  Наряду с приведенными основными понятиями и определениями [1], большей частью относящимися к теории познания, при аналитических и экспериментальных исследованиях доменной плавки широко используются понятия, определения и параметры процессов доменной плавки и в целом металлургии.
  Традиционно сложившийся подход к анализу доменной плавки основан на детальном изучении отдельных его явлений (тепло- и массо-обмена, газо- и гидродинамики, механики движения и характера превращений шихтовых материалов и др.) с последующим использованием выявленных закономерностей для определения возможных и желаемых тенденций в развитии процессов и управления ими. Такой подход является плодотворным, однако, не вполне достаточным для полного познания процесса с целью его совершенствования [2, 3].
  Изучение отдельных, даже наиболее существенных, явлений в изолированном виде не может дать оснований для окончательных выводов относительно всего процесса в целом, а дает лишь исходный материал для последующего анализа. Это обусловлено тем, что доменная плавка в целом является не простой совокупностью отдельных яв

9

лений, а сложной функцией их связей, природа которых сложнее самих явлений и включает свойства, не присущие отдельным явлениям.
  Изложенные особенности процессов доменной плавки позволяют характеризовать ее как большую сложную систему, современное представление о которой включает четыре основных свойства [2-4].
  Целостность и членимость. Система - целостное образование, но в ее составе могут быть четко выделены отдельные элементы (свойства).
  Связи. Наиболее существенные связи между элементами системы превосходят по мощности связи этих элементов с элементами, не входящими в систему. Это отличает систему от простого конгломерата и выделяет ее из окружающей среды как целостное образование.
  Организация. Наличие организации в системе формально выражается в том, что энтропия системы меньше, чем энтропия системоформирующих факторов, к числу которых относятся количество элементов, их свойства, связи и др.
  Интегративные качества. Качества, присущие системе в целом, но не свойственны ее элементам в отдельности. Свойства системы, хотя и зависят от свойств ее элементов, но полностью не определяются ими. Система не сводится к простой совокупности элементов. Изучая элементы в отдельности, нельзя познать все свойства системы в целом.
  Методологической основой изучения систем является системный подход, структуру которого можно представить в виде четырех компонентов [5]:
  -    изучение и учет внешних связей рассматриваемой системы или проблемы;
  -    иерархическое представление ее внутренней структуры и процессов управления;
  -    учет неопределенностей, обусловленных неполнотой исходной информации, многокритериальностью и другими факторами;
  -  применение математических методов и ЭВМ.

10