blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2017-2-116-123blackmet-1019Research ArticleМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИMETALLURGICAL TECHNOLOGIESИЗМЕНЕНИЕ ЭКВИВАЛЕНТНОЙ ПОРОЗНОСТИ СЛОЯ ОКАТЫШЕЙ ПО ДЛИНЕ ОБЖИГОВОЙ КОНВЕЙЕРНОЙ МАШИНЫCHANGE OF EQUIVALENT LAYER POROSITY OF PELLETS ALONG THE LENGTH OF BURNING CONVEYOR MACHINEЮрьевБ. П.Yur’evB. P.

Кандидат технических наук, доцент кафедры теплофизики и информатики в металлургии

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair “Thermal Physics and Informatics in Metallurgy”

yurev-b@mail.ruГольцевВ. А.Gol’tsevV. A.

Кандидат технических наук, доцент кафедры теплофизики и информатики в металлургии

Cand. Sci. (Eng.), Assist. Professor of the Chair “Thermal Physics and Informatics in Metallurgy”

v.a.qoltsev@urfu.ruУральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. ЕльцинаРоссияUral Federal University named after the first President of Russia B.N.  YeltsinRussian Federation201701032017602116123Copyright © Юрьев Б.П., Гольцев В.А., 20172017Юрьев Б.П., Гольцев В.А.Yur’ev B.P., Gol’tsev V.A.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://fermet.misis.ru/jour/article/view/1019

Рассмотрены сложности в определении величины газодинамического сопротивления слоя окатышей в процессе термообработки на обжиговой машине конвейерного типа, связанные со значительными изменениями структуры слоя из-за его усадки в процессе сушки, низкой прочности сырых окатышей, сегрегации по высоте слоя, спекания и оплавления окатышей. В результате газодинамическое сопротивление слоя окатышей на конвейерных машинах значительно превышает величину сопротивления, которую получают при лабораторных исследованиях газодинамики слоя окатышей. Учитывая влияние большого количества факторов на структуру обжигаемого слоя окатышей, учесть которые можно только в их совокупном действии, введено понятие эквивалентной порозности. В результате расчета величины эквивалентной порозности по имеющимся в литературе данным и данным, полученным при отработке технологии обжига окатышей в высоком слое на конвейерных машинах Качканарского ГОКа, выявлена закономерность ее распределения по длине конвейерной машины. Установлено, что наиболее существенно порозность слоя снижается из-за усадки слоя в зоне сушки и растрескивания окатышей на выходе из нее. Проведенный анализ расчетных выражений для определения газодинамических характеристик слоя из окатышей позволил получить зависимости, которые с достаточной степенью точности можно использовать для расчета газодинамических характеристик слоя на конвейерных машинах с учетом различной порозности. Полученные в работе результаты могут быть использованы при определении газодинамических и тепловых режимов, обеспечивающих работу обжиговых конвейерных машин с низкими удельными расходами топлива и высоким качеством обожженного продукта.

Difficulties in determining the flow resistance of layer of pellets in the burning conveyor type machines during the heat treatment, associated with significant changes in the layer structure due to its shrinkage during the drying process, the low strength of raw pellets, adjustment layer segregation, sintering and melting of pellets, were considered. As a result, flow resistance of pellets layer on conveyor machines greatly exceeds the resistance value which is obtained in laboratory tests of gas dynamics of pellet layer. According to the impact of many factors on the structure of a burnt pellets layer, which can be taken into account only in their cumulative effect, the authors have introduced the concept of an equivalent porosity. As a result of calculating the amount of equivalent porosity with the available literature data and the data obtained in working out the pellets burning technology in a high layer on Kachkanar conveyor machines, a pattern of its distribution along the length of the conveyor machine was revealed. It was established that most significantly the porosity of the layer reduce due to layer shrinkage in the drying zone and cracking of pellets at the outlet of it. The analysis of estimated expressions to determine the gas-dynamic characteristics of the pellets layer helped to get the dependencies that with a sufficient degree of accuracy can be used to calculate the gas-dynamic characteristics of the layer on the conveyor machines considering different porosity. The obtained results can be used in determining the gas dynamic and thermal conditions, providing work of burning conveyor machines with low specific fuel consumption and high quality of the calcined product.

коэффициент газодинамического сопротивленияэквивалентная порозностьжелезорудные окатыширежимобжиговая конвейерная машиназонатермическая обработкапараметрырасход топливакачествоGovernment of the Russian Federation (Act 211contract no. 02.А03.21.0006)Правительство Российской Федерации (постановление №  211, контракт №  02.А03.21.0006)ReferencesLiu H., Jonsson L. T. I., Olofsson U., and Jönsson P. G. A Simulation Study of Particles Generated from Pellet Wear Contacts during a Laboratory Test // ISIJ International. 2016. Vol. 56 , No. 11, pp. 1910 – 1919.Liu H., Jonsson L. T.I., Olofsson U., Jönsson P.G. A simulation study of particles generated from pellet wear contacts during a laboratory test. ISIJ International. 2016, vol. 56, no. 11, pp. 1910–1919.Panic B., Janiszewski K. Model investigations 3D of gas-powder two phase flow in descending packed bed in metallurgical shaft furnaces // Metalurgija. 2014. Vol. 53 (3), pp. 331 – 334.Panic B., Janiszewski K. Model investigations 3D of gas-powder two phase flow in descending packed bed in metallurgical shaft furnaces. Metalurgija. 2014, vol. 53 (3), pp. 331–334.Liu, Y., Su, F.-Y., Wen Z. CFD modeling of flow, temperature, and concentration fields in a pilot-scale rotary hearth furnace // Metallurgical and MaterialsTransactionsB. 2014.Vol. 45 (1), pp. 251 – 261.Liu, Y., Su, F.-Y., Wen Z. CFD modeling of flow, temperature, and concentration fields in a pilot-scale rotary hearth furnace. Metallurgical and Materials Transactions B. 2014, vol. 45 (1), pp. 251–261.Dai C., Lei Z., Li Q. Pressure drop and mass transfer study in structured catalytic packings // Sep. Purif. Technol. 2012. Vol. 98 (1), pp. 78 – 87.Dai C., Lei Z., Li Q. Pressure drop and mass transfer study in structured catalytic packings. Sep. Purif. Technol. 2012, vol. 98 (1), pp.  78–87.Li L., Remmelgas J., van Wachem B.G.M. Effect of drag models on residence time distributions of particles in a wurster fluidized bed: a DEM-CFD study // Kona powder and particle journal. 2016. Vol. 33, pp. 264 – 277.Li L., Remmelgas J., van Wachem B.G.M. Effect of drag models on residence time distributions of particles in a wurster fluidized bed: a DEM-CFD study. Kona powder and particle journal. 2016, vol.  33, pp. 264–277.Дмитриев Е.А., Носырев М.А., Трушин А.М. К вопросу определения порозности псевдоожиженного слоя в системе твердых частиц – газ // Химическая промышленность сегодня. 2013. № 9. С. 53 – 56.Dmitriev E.A., Nosyrev M.A., Trushin A.M. On the issue of determining the porosity of the fluidized bed in the system of solid particles – gas. Khimicheskaya promyshlennost’ segodnya. 2013, no.  9, pp. 53–56. (In Russ.).К вопросу о порозности неоднородного псевдоожиженного слоя / Е.А. Дмитриев, О.В. Кабанов, М.В. Куликов, М.А. Носырев, А.М. Трушин // Теоретические основы химической технологии. 2015. Т. 49. № 6. С. 644 – 650.Dmitriev E.A., Kabanov O.V., Kulikov M.V., Nosyrev M.A., Trushin A.M. On the issue of porosity of a heterogeneous fluidized bed. Teoreticheskie osnovy khimicheskoi tekhnologii. 2015, vol. 49, no. 6, pp. 644–650. (In Russ.).Guo L., Morita K., Tobita Y. Numerical simulation of three-phase flows with rich solid particles by coupling multi-fluid model with discrete element method // Proceedings of the 20th international conference on nuclear engineering and the ASME 2012 power conference. 2012. Vol. 4, pp. 371 – 382.Guo L., Morita K., Tobita Y. Numerical simulation of three-phase flows with rich solid particles by coupling multi-fluid model with discrete element method. Proceedings of the 20th Int. Conf. on Nuclear Engineering and the ASME 2012 Power Conf. 2012, vol. 4, pp.  371–382.Croft T. N., Cross M., Slone A. K. CFD analysis of an induration cooler on an iron ore grate-kiln pelletising process // Minerals engineering. 2009. Vol. 22, pp. 859 – 873.Croft T. N., Cross M., Slone A. K. CFD analysis of an induration cooler on an iron ore grate-kiln pelletising process. Minerals Engineering. 2009, vol. 22, pp. 859–873.Barati M. Dynamic simulation of pellet induration process in straight-grate system // International journal of mineral processing. 2008. Vol. 89 (1 – 4), pp. 30 – 39.Barati M. Dynamic simulation of pellet induration process in straight-grate system. International Journal of Mineral Processing. 2008, vol. 89 (1 – 4), pp. 30–39.Todd R.S., Webley, P.A. Pressure drop in a packed bed under nonadsorbing and adsorbing conditions // Industrial & engineering chemistry research. 2005. Vol. 44 (18), pp. 7234 – 7241.Todd R.S., Webley, P.A. Pressure drop in a packed bed under nonadsorbing and adsorbing conditions. Industrial & Engineering Chemistry Research. 2005, vol. 44 (18), pp. 7234–7241.Schults H.J., Abel O. Durck Störmungsverhalten von FormkoksErz-Stükkoks-Systemen // Arch. Eisenhüttenwesen. 1974. Bd. 45. No. 5. S. 279 – 285.Schults H.J., Abel O. Durck Störmungsverhalten von FormkoksErz-Stükkoks-Systemen. Arch. Eisenhüttenwesen. 1974, Bd. 45, no.  5, pр. 279–285. (In Germ.)Физико-химические и теплотехнические основы производства железорудных окатышей / В.М. Абзалов, В.А. Горбачев, С.В. Евстюгин и др. Под ред. академика Л.И. Леонтьева. – Екатеринбург: НПВП ТОРЭКС, 2012. – 340 с.Abzalov V.M., Gorbachev V.A., Evstyugin S.V. etc. Fiziko-khimicheskie i teplotekhnicheskie osnovy proizvodstva zhelezorudnykh okatyshei [Physical-chemical and thermotechnical basis of the iron-ore pellet production]. Leont’ev L.I. ed. Ekaterinburg: NPVP TOREKS, 2012, 340 p. (In Russ.).Yur’ev B.P., Gol’tsev V.A., Lugovkin V.V., Yarchuk V.F. Hydraulic Drag of Dense Beds Consisting of Particles of Different Shape // Steel in Translation. 2015. Vol. 45. No. 9, pp. 662 – 668.Yur’ev B.P., Gol’tsev V.A., Lugovkin V.V., Yarchuk V.F. Hydraulic drag of dense beds consisting of particles of different shape. Steel in Translation. 2015, vol. 45. no. 9, pp. 662–668.Брюханов О.Н., Коробко В.И., Мелик-Аракелян А.Т. Основы гидравлики, теплотехники и аэродинамики. – М.: Изд-во ИНФРА-М, 2012. – 253 с.Bryukhanov O.N., Korobko V.I., Melik-Arakelyan A.T. Osnovy gidravliki, teplotekhniki i aerodinamiki [Basics of hydraulics, thermal technology and aerodynamics]. Moscow: INFRA-M, 2012, 253 p. (In Russ.).Ртищев А.С. Теоретические основы гидравлики и теплотехники. – Ульяновск: изд. УлГТУ, 2007. – 171 с.Rtishchev A.S. Teoreticheskie osnovy gidravliki i teplotekhniki [Theoretical basics of hydraulics and thermal technology]. Ulyanovsk: UlGTU, 2007, 171 p. (In Russ.).Стулов В.П. Лекции по газовой динамике. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2006. – 192 с.Stulov V.P. Lektsii po gazovoi dinamike [Lectures on gas dynamics]. Moscow: FIZMATLIT, 2006, 192 p. (In Russ.).Брюханов О.Н., Мелик-Аракелян А.Т., Коробко В.И. Основы гидравлики и теплотехники. – М.: Академия, 2011. – 240 с.Bryukhanov O.N., Melik-Arakelyan A.T., Korobko V.I. Osnovy gidravliki i teplotekhniki [Basics of hydraulics and thermal technology]. Moscow: Akademiya, 2011, 240 p. (In Russ.).Гидравлический расчет трубопроводов и выбор тягодутьевых средств, обеспечивающих работу промышленных печей / С.Н. Гущин, М.Д.Казяев, Е.В.Киселев,В.С.Шаврин, Б.П. Юрьев. Екатеринбург: изд. УрФУ, 2011. – 140 с.Gushchin S.N., Kazyaev M.D., Kiselev E.V., Shavrin V.S., Yur’ev  B.P. Gidravlicheskii raschet truboprovodov i vybor tyagodut’evykh sredstv, obespechivayushchikh rabotu promyshlennykh pechei [Pipeline system hydraulic calculation and choice of a draft capacity options providing the work of industrial furnaces]. Ekaterinburg: UrFU, 2011, 140 p. (In Russ.).Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. – М.: Машиностроение, 1992. – 672 с.Idel’chik I.E. Spravochnik po gidravlicheskim soprotivleniyam [Reference book on hydraulic resistance]. Moscow: Mashinostroenie, 1992, 672 p. (In Russ.).Аэров М.Э., Тодес О.М., Наринский Д.А. Аппараты со стационарным зернистым слоем. – Л.: Химия, 1979. – 176 с.Aerov M.E., Todes O.M., Narinskii D.A. Apparaty so statsionarnym zernistym sloem [Units with stationary granular layer]. Leningrad: Khimiya, 1979, 176 p. (In Russ.).Волков К.Н., Дерюгин Ю.Н., Емельянов В.Н. Методы ускорения газодинамических расчетов на неструктурированных сетках. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2014. – 535 с.Volkov K.N., Deryugin Yu.N., Emel’yanov V.N. Metody uskoreniya gazodinamicheskikh raschetov na nestrukturirovannykh setkakh [Acceleration methods of gas-dynamic calculations on non-structured grids]. Moscow: FIZMATLIT, 2014, 535 p. (In Russ.).Волков К.Н., Емельянов В.Н. Вычислительные технологии в задачах механики жидкости и газа. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2013. – 468 с.Volkov K.N., Emel’yanov V.N. Vychislitel’nye tekhnologii v zadachakh mekhaniki zhidkosti i gaza [Computing technologies in tasks of liquids and gases mechanics]. Moscow: FIZMATLIT, 2013, 468 p. (In Russ.).Чечеткин А.В. Высокотемпературные теплоносители. – М.: Энергия, 1971. – 496 с.Chechetkin A.V. Vysokotemperaturnye teplonositeli [High-temperature heat-carrying agents]. Moscow: Energiya, 1971, 496 p. (In Russ.).Ровенский И.И., Бережной Н.Н. Исследование газопроницаемости слоя окатышей // Изв. вуз. Черная металлургия. 1964. № 1. С. 27 – 32.Rovenskii I.I., Berezhnoi N.N. Research of gas transmission in pellets layer. IzvestiyaVUZov. Chernaya metallurgiya = Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 1964, no. 1, pp. 27–32. (In Russ.).Теплотехника окускования железорудного сырья / С.Г. Братчиков, Ю.А. Берман, Я.Л. Белоцерковский и др. – М.: Металлургия, 1970. – 344 с.Bratchikov S.G., Berman Yu.A., Belotserkovskii Ya.L. etc. Teplotekhnika okuskovaniya zhelezorudnogo syr’ya [Thermal technology of iron-ore raw material pelletizing]. Moscow: Metallurgiya, 1970, 344 p. (In Russ.).Аэродинамические характеристики обжиговых конвейерных машин / Р.Ф. Кузнецов, Г.М. Майзель, Я.Л. Белоцерковский и др. // Металлург. 1974. № 7. С. 27 – 31.Kuznetsov R.F., Maizel’ G.M., Belotserkovskii Ya.L., Onishchenko  A.E., Dokuchaev P.N., Antuganova G.M. Aerodynamic characteristics of calcining conveyor machines. Metallurgist. 1974, vol.  18, no. 7, pp. 514-517.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.