Моделирование процессов доменной плавки

В. П. Лялюк 
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ  
ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ 
Монография 
Москва 
Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2020 

УДК 669.162.26 
ББК 34.323 
Л97 
 
 
 
 
 
Рецензенты: 
кандидат технических наук, доцент И. Г. Ризницкий; 
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. 
 
 
УДК 669.162.26 
 
ББК 34.323 
 
 
 
 
 
 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 
ISBN 978-5-9729-0400-6        ” Лялюк В. П., 2020  
 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2020 
 
2

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 ³Металлургия´, специализации ³Металлургия 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 массообмена, 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 яв9

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