blackmetИзвестия высших учебных заведений. Черная МеталлургияIzvestiya. Ferrous Metallurgy0368-07972410-2091National University of Science and Technology "MISIS"10.17073/0368-0797-2019-12-979-986blackmet-1779Research ArticleИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И АВТОМАТИЗАЦИЯ В ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИINFORMATION TECHNOLOGIES AND AUTOMATIC CONTROL IN FERROUS METALLURGYРазработка информационно-моделирующей системы инжекции пылеугольного топлива в фурмы доменной печиDevelopment of information modeling system of coal-dust fuel injection into tuyeres of blast furnaceШвыдкийВ. С.ShvydkiiV. S.

д.т.н., профессор кафедры «Теплофизика и информатика в металлургии»

620002, Екатеринбург, ул. Мира, 28

Dr. Sci. (Eng.), Professor of the Chair “Thermal Phys and Informatics in Metallurgy”

Ekaterinburg

vladimirsvydkij0@gmail.comКуделинС. П.KudelinS. P.

к.т.н., доцент кафедры «Теплофизика и информатика в металлургии»

620002, Екатеринбург, ул. Мира, 28

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

Ekaterinburg

s.p.kudelin@urfu.ruГуринИ. А.GurinI. A.

ассистент кафедры «Теплофизика и информатика в металлургии»

620002, Екатеринбург, ул. Мира, 28

Assistant of the Chair “Thermal Physics and Informatics in Metallurgy”

Ekaterinburg

ivan.gurin@urfu.ruНосковВ. Ю.NoskovV. Yu.

старший преподаватель кафедры «Теплофизика и информатика в металлургии»

620002, Екатеринбург, ул. Мира, 28

Senior Lecturer of the Chair “Thermal Physics and Informatics in Metallurgy”

Ekaterinburg

vynoskov@gmail.comУральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. ЕльцинаРоссияUral Federal University named after the first President of Russia B.N. YeltsinRussian Federation2019140120206212979986Copyright © Швыдкий В.С., Куделин С.П., Гурин И.А., Носков В.Ю., 20202020Швыдкий В.С., Куделин С.П., Гурин И.А., Носков В.Ю.Shvydkii V.S., Kudelin S.P., Gurin I.A., Noskov V.Y.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/1779

Рассмотрена математическая модель фурменного очага доменной печи при инжекции пылеугольного топлива. При математическом моделировании фурменного очага выделено две подсистемы: 1) нагрев частиц угольной пыли и выделение летучих в фурменном очаге; 2) теплообмен и процесс горения в фурменном приборе. Исследовано двумерное поле скоростей газа в фурменном очаге. Процессы горения рассмотрены как совокупность параллельно развивающихся явлений горения кокса в слое, одиночных кусков кокса и частиц угольной пыли. Модель включает уравнения баланса общей массы газа, баланса массы компонентов газа, теплового баланса газа, движения частиц угольной пыли, теплового баланса частицы угольной пыли. В ней рассчитываются максимальная температура горения в фурменном очаге, расстояние от среза фурмы до фокуса горения, протяженность кислородной зоны горения, температура газа, содержание компонентов газовой фазы и степень выгорания углерода пылеугольного топлива на выходе из фурменного очага. Разработана информационно-моделирующая система. Последняя позволяет исследовать влияние характеристик комбинированного дутья, свойств кокса и угольной пыли, геометрических размеров фурм и других факторов на поля температур и концентраций компонентов газовой фазы в фурменном очаге. Рассматриваемая система позволяет подобрать рациональный режим инжекции пылеугольного топлива, который обеспечит полноту его сгорания в границах фурменных очагов. Основными функциями программного обеспечения является представление результатов расчета в виде таблиц и графиков, хранение вариантов исходных данных в базе данных, экспорт результатов расчета во внешний файл формата Microsoft Excel. Сделаны выводы о снижении температуры горения в фурменном очаге, приближении фокуса горения к фурме при вдувании пылеугольного топлива, о необходимости использования углей с определенными качественными характеристиками и месте ввода угольной пыли в поток дутья.

The article considers a mathematical model of combustion zone of blast furnace working with the use of injection of coal-dust fuel. In this model, two subsystems were identified: 1) subsystem of heating the particles of coal dust and volatiles release in the combustion zone; 2) subsystem of heat exchange and combustion processes in the tuyere. A two-dimensional velocity field of gas in the combustion zone was investigated. The combustion processes are considered as a set of simultaneously developing phenomena of coke burning in a layer, single pieces of coke and particles of coal dust. The model includes following equations: total gas mass balance, gas component mass balance, gas heat balance, movement of coal dust particles and heat balance of coal dust particles. The model calculates maximum burning temperature in combustion zone; the distance from the cut of the tuyere to the focus of combustion; the length of the oxygen combustion zone; gas temperature; the content of gas phase components and the degree of carbon burnout of pulverized coal at the outlet of the tuyere combustion zone. Information-modeling system has been developed. It allows investigation of influence of combined blast characteristics, the properties of coke and coal-dust fuel, the geometric dimensions of tuyeres and other factors on temperature fields and concentrations of components of gas phase in combustion zone. The model also helps to select a rational mode of pulverized coal that will ensure completeness of its combustion in the tuyere combustion zone. Main functions of the program are as follows: representation of results of calculation in form of tables and diagrams, storage of options of basic data in a database and export of results of calculation to Microsoft Excel. Conclusions were made on reduction of combustion temperature in combustion zone and the approach of focus of combustion to the tuyere when pulverized coal was injected. The authors also have established the need to use coals with certain quality characteristics and place where coal dust was introduced into the blast stream.

доменная печьпылеугольное топливоинжекциягорениемоделированиефурменный очагпрограммное обеспечениеblast furnacecoal-dust fuelinjectioncombustionmodelingcombustion zonesoftwareReferencesЕфименко Г.Г., Гиммельфарб А.А., Левченко В.Е. Металлургия чугуна. Учеб. для вузов. – Киев: Выща школа Головное изд-во, 1988. – 351 с.Efimenko G.G., Gimmel'farb A.A., Levchenko V.E. Metallurgiya chuguna. Ucheb. dlya vuzov [Ironmaking. Textbook for universities]. Kiev: Vyshcha shkola, 1988, 351 p. (In Russ.).Плискановский С.Т., Полтавец В.В. Оборудование и эксплуатация доменных печей. – Днепропетровск: Пороги, 2004. – 495 с.Pliskanovskii S.T., Poltavets V.V. Oborudovanie i ekspluatatsiya domennykh pechei [Equipment and operation of blast furnaces]. Dnepropetrovsk: Porogi, 2004, 495 p. (In Russ.).Дунаев Н.Е., Кудрявцева З.М., Кузнецов Ю.М. Вдувание пылевидных материалов в доменные печи. – М.: Металлургия, 1977. – 208 с.Dunaev N.E., Kudryavtseva Z.M., Kuznetsov Yu.M. Vduvanie pylevidnykh materialov v domennye pechi [Blasting of pulverized materials into blast furnaces]. Мoscow: Metallurgiya, 1977, 208 p. (In Russ.).Kochura V.V., Yaroshevskii S.L., Kupenko V.I., Mishin I.V. Method of determining the degree of combustion of pulverized-coal fuel in blast furnaces // Metallurgist. 2013. Vol. 57. No. 7-8. P. 671 – 681.Kochura V.V., Yaroshevskii S.L., Kupenko V.I., Mishin I.V. Method of determining the degree of combustion of pulverized-coal fuel in blast furnaces. Metallurgist. 2013, vol. 57, no. 7-8, pp. 671–681.Kochura V., Yaroshevskiy S., Popov V., Braga V. Fundamentals aspects and industrial practice of coal injection in the blast furnace at Donetsk Metallurgical Works. – In: 4 th International Congress on the Science and Technology of Ironmarking. 2006. P. 331 – 334.Kochura V., Yaroshevskiy S., Popov V., Braga V. Fundamentals aspects and industrial practice of coal injection in the blast furnace at Donetsk Metallurgical Works. In: 4 th Int. Congress on the Science and Technology of Ironmarking. 2006, pp. 331–334.De Castro J.A., da Silva A.J., Sasaki Y., Yagi J. A six-phases 3-D model to study simultaneous injection of high rates of pulverized coal and charcoal into the blast furnace with oxygen enrichment // ISIJ Int. 2011. Vol. 51. No. 5. P. 748 – 758.De Castro J.A., da Silva A.J., Sasaki Ya., Yagi J. A six-phases 3-D model to study simultaneous injection of high rates of pulverized coal and charcoal into the blast furnace with oxygen enrichment. ISIJ International. 2011, vol. 51, no. 5, pp. 748–758.Chung J.K., Han J.W., Lee J.H. Coke properties at tuyere level in blast furnace with pulverized coal injection // Metals and Materials. 1996. Vol. 2. No. 1. P. 1 – 7.Chung J.K., Han J.W., Lee J.H. Coke properties at tuyere level in blast furnace with pulverized coal injection. Metals and Materials. 1996, vol. 2, no. 1, pp. 1–7.Jiang X., Li J., Qiu J. Study on combustion characteristic of micropulverized coal // Zhongguo Dianji Gongcheng Xuebao. 2000. Vol. 20. No. 6. P. 71 – 74.Jiang X., Li J., Qiu J. Study on combustion characteristic of micro-pulverized coal. Zhongguo Dianji Gongcheng Xuebao. 2000, vol. 20, no. 6, pp. 71–74.Tovarovskii I.G., Merkulov A.E. Blast-furnace smelting with coal-dust injection // Steel in Translation. 2012. Vol. 42. No. 1. P. 28 – 40.Tovarovskii I.G., Merkulov A.E. Blast-furnace smelting with coal-dust injection. Steel in Translation. 2012, vol. 42, no. 1, pp. 28–40.Tovarovskii I.G., Merkulov A.E. Analysis of blast-furnace smelting with the injection of natural gas and coke-oven gas // Steel in Translation. 2012. Vol. 42. No. 1. P. 28 – 40.Tovarovskii I.G., Merkulov A.E. Analysis of blast-furnace smelting with the injection of natural gas and coke-oven gas. Steel in Translation. 2012, vol. 42, no. 1, pp. 28–40.Su B.X., Zhang J.L., Liu Q.Y., Che X.-M., Fu Y.D., Jin J.Q. Study on the combustion process of pulverized coal and carbonaceous matter dust in BF // Materials Science and Technology Conference and Exhibition. 2011. Vol. 1. P. 536 – 544.Su B.X., Zhang J.L., Liu Q.Y., Che X.-M., Fu Y.D., Jin J.Q. Study on the combustion process of pulverized coal and carbonaceous matter dust in BF. Materials Science and Technology Conf. and Exhibition. 2011, vol. 1, pp. 536–544.Zolotukhin Y.A., Andreichikov N.S., Kukolev Y.B. Quality requirements on coke for blast furnaces operating with coal-dust fuel // Coke and Chemistry. 2009. Vol. 52. No. 3. P. 110 – 115.Zolotukhin Y.A., Andreichikov N.S., Kukolev Y.B. Quality requirements on coke for blast furnaces operating with coal-dust fuel. Coke and Chemistry. 2009, vol. 52, no. 3, pp. 110–115.Wu K., Ding R., Han Q., Yang S., Wei S., Ni B. Research on unconsumed fine coke and pulverized coal of BF dust under different PCI rates in BF at capital steel Co // ISIJ International. 2010. Vol. 50. No. 3. P. 390 – 395.Wu K., Ding R., Han Q., Yang S., Wei S., Ni B. Research on unconsumed fine coke and pulverized coal of BF dust under different PCI rates in BF at capital steel Co. ISIJ International. 2010, vol. 50, no. 3, pp. 390–395.Jaffarullah R., Ghosh B.K. Alternate fuels in blast furnaces to reduce coke consumption // Journal of the Institution of Engineers. 2005. Vol. 86. Part: Metallurgy and Material Science Division. P. 16 – 23.Jaffarullah R., Ghosh B.K. Alternate fuels in blast furnaces to reduce coke consumption. Journal of the Institution of Engineers. 2005, vol. 86, Part: Metallurgy and Material Science Division, pp. 16–23.Введение в системный анализ теплофизических процессов в металлургии. Учеб. пособие для вузов / Н.А. Спирин, В.С. Швыдкий, В.И. Лобанов, В.В. Лавров. – Екатеринбург, УГТУ, 1999. – 205 с.Spirin N.A., Shvydkii V.S., Lobanov V.I., Lavrov V.V. Vvedenie v sistemnyi analiz teplofizicheskikh protsessov v metallurgii. Ucheb. posobie dlya vuzov [Introduction to systematic analysis of thermophysical processes in metallurgy. University manual]. Ekaterinburg, UGTU, 1999, 205 p. (In Russ.).Компьютерные методы моделирования доменного процесса / О.П. Онорин, Н.А. Спирин, В.Л. Терентьев и др.; под ред. Н.А. Спирина. – Екатеринбург: УГТУ–УПИ, 2005. – 301 с.Onorin O.P., Spirin N.A., Terent’ev V.L. etc. Komp’yuternye metody modelirovaniya domennogo protsessa [Computer methods of blast furnace process modeling]. Spirin N.A. ed. Ekaterinburg: UGTUUPI, 2005, 301 p. (In Russ.).Спирин Н.А., Швыдкий В.С., Овчинников Ю.Н., Лавров В.В. Математическое моделирование теплообмена в фурменном очаге доменной печи // Изв. вуз. Черная металлургия. 1998. T. 41. № 4. С. 51 – 53.Spirin N.A., Shvydkii V.S., Ovchinnikov Yu.N., Lavrov V.V. Mathematical modeling of heat transfer in combustion zone of blast furnace. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 1998, vol. 41, no. 4, pp. 51–53. (In Russ.).Pavlov A.V., Polinov A.A., Spirin N.А., Onorin O.P., Lavrov V.V. Use of model systems for solving new technological problems in blast-furnace production // Metallurgist. 2017. Vol. 61. No. 5-6. P. 448 – 454.Pavlov A.V., Polinov A.A., Spirin N.А., Onorin O.P., Lavrov V.V. Use of model systems for solving new technological problems in blast-furnace production. Metallurgist. 2017, vol. 61, no. 5-6, pp. 448–454.Основы практической теории горения / В.В. Померанцев, К.М. Арефьев, Д.Б. Ахмедов и др. – Л.: Энергоатомиздат, 1986. – 312 с.Pomerantsev V.V., Aref’ev K.M., Akhmedov D.B. etc. Osnovy prakticheskoi teorii goreniya [Fundamentals of the practical theory of combustion]. Leningrad: Energoatomizdat, 1986, 312 p. (In Russ.).Швыдкий В.С., Быков А.Г., Луговых Г.А., Карымов Р.Р. Газификация частиц угольной пыли в фурменном приборе доменной печи // Изв. вуз. Черная металлургия. 2008. T. 51. № 4. С. 7 – 10.Shvydkii V.S., Bykov A.G., Lugovykh G.A., Karymov R.R. Gasification of coal dust particles in a blast furnace unit. Izvestiya. Ferrous Metallurgy. 2008, vol. 51, no. 4, pp. 7–10. (In Russ.).Волков Е.А. Численные методы. Учеб. пособие для вузов. – М.: Наука, 1987. – 248 с.Volkov E.A. Chislennye metody. Ucheb. posobie dlya vuzov [Numerical methods. University manual]. Moscow: Nauka, 1987, 248 p. (In Russ.).

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