ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ РАСЧЕТА ПРОЦЕССА ОБЖИГА РУДОУГОЛЬНЫХ ОКАТЫШЕЙ НА КОНВЕЙЕРНОЙ МАШИНЕ

Рассмотрена инженерная математическая модель развития физико-химических превращений в объеме окатыша, состоящего из гранул железной руды, известняка и кокса (углеродсодержащего топлива). Показано, что адекватные экспериментальным данным являются математические модели, использующие трехступенчатую схему восстановления. Строгое математическое описание процесса восстановления по этой схеме требует совместного решения задач кинетики последовательно-параллельных реакций и диффузии многокомпонентного газа в порах куска руды. Такой подход не может быть использован в математической модели процесса обжига рудоугольных окатышей вследствие своей сложности. Эта сложность еще более возрастает при учете характерной особенности газового и температурного режимов обжиговой машины, производящей офлюсованные рудоугольные окатыши: изменение состава газа по ходу материала (переход от окислительной атмосферы к восстановительной или нейтральной). Для решения задачи восстановления рудной гранулы важно знать кривые распределения концентраций восстановителей и газообразных продуктов реакции по радиусу. В силу сложности уравнений диффузии, прогрева гранул и химической кинетики используется приближенный метод решения задачи Стефана, развитый Л.С. Лейбензоном, сущность которого состоит в предположении, что в каждый момент времени для заданной концентрации компонента газа в макропорах окатыша в объеме гранулы успевает установиться квазистационарное распределение. Все реакции восстановления оксидов протекают не на  поверхности микропор соответствующего слоя гранулы, а на разделяющих эти слои фронтальных поверхностях, причем восстановление центрального объема первоначального магнетита не получает развития до тех пор, пока соседняя гематитовая область не восстановится до Fe₃O₄ . При таких условиях вся сложность упрощенной математической модели компенсируется надлежащим выбором алгоритма численного решения системы уравнений. Поскольку ряд упрощений не соответствует реальности (например, слой металлического железа не пропускает газ-восстановитель), приходится использовать эффективные коэффициенты, значение которых устанавливается в процессе адаптации модели.

1. Швыдкий В.С., Ярошенко Ю.Г., Спирин Н.А., Лавров В.В. Математическая модель процесса обжига рудоугольных окатышей на конвейерной машине // Изв. вуз. Черная металлургия. 2017. Т. 60. № 4. С. 12 – 24.

2. Есин О.А., Гельд П.В. Физическая химия пирометаллургических процессов; изд. 2-е. Ч. 1. – Свердловск: Металлургиздат, 1962. – 671 с.

3. Szekely J., Evans J.W., Sohn H.Y. Solid – Gas Reactions. – N.Y.: Academic Press, 1976. – 400 p.

4. Бабушкин Н.М., Тимофеев В.Н. Горение топлива в слое агломерационной шихты. –В кн.: Теплотехника доменного и агломерационного процессов: Сб. научн.трудов ВНИИМТ, №14. – М.: Металлургия, 1966. С. 139 – 159.

5. Takahashi Y., Takahashi R. Reduction of Iron Pellets by Using a Laboratory Scale Moving Bed Reactor at High Pressure. – In: Proc. VIII Joint Japan – USSR Symposium on Physical Chemistry of Metallurgical Processes. Tokyo, 1981. Р. 78 – 92.

6. Экономос М. Реакции в твердой фазе в ферритах. – В кн.: Кине-тика высокотемпературных процессов / Под ред. У.Д. Кинджери. – М.: Металлургия, 1965. С. 168 – 180.

7. Yagi I., Szekely J. Mathematical formulation on iron oxide pellets in muving beds with nonuniform gas and solids flow //Trans. Iron and Steel Inst. Japan. 1977. No. 10. Р. 569 – 575.

8. Макрокинетика восстановления железорудных материалов газами: математическое описание / С.Д. Абрамов, Л.Ф. Алексеев, Д.З. Кудинов, А.В. Ченцов, С.В. Шаврин. – М.: Наука, 1982. – 105 с.

9. Франк-Каменецкий Д.А. Диффузия и теплопередача в химической кинетике. – М.: Наука, 1987. – 492 с.

10. Боковиков Б.А. Методы расчета слоевых процессов и агрегатов для металлизации и их развитие. – В кн.: Физикохимия прямого получения железа. – М.: Наука, 1977. С. 84 – 87.

11. Боковиков Б.А., Поволоцкий В.Ю., Гиммельфарб А.И., Неменов А.М. Анализ шахтного восстановительного процесса с помощью математической модели // Прямое получение железа и порошковая металлургия: Тематич. отрасл. сб. № 1. – М.: Металлургия, 1974. С. 107 – 113.

12. Ростовцев С.Т. Теория металлургических процессов. – М.: Ме-таллургиздат, 1956. – 514 с.

13. Funghini A., Fontana P., Marchi G. De. In: The operation of the blast furnace: theory and practice. – Arles: 1980. Vol. 2. Р. B. 2.1 – B. 2.6.

14. Богданди Л., Энгель Г.Ю. Восстановление железных руд. – М.: Металлургия, 1971. – 520 с.

15. Рубинштейн Л.И. Проблема Стефана. – Рига: Звайгзне, 1967. – 457 с.

16. Патанкар С. Численные методы решения задач теплообмена и динамики жидкости. – М.: Энергоатомиздат, 1984. – 152 с.

17. Математическое моделирование металлургических процессов в АСУ ТП / Н.А. Спирин, В.В. Лавров, В.Ю. Рыболовлев; под ред. Н.А. Спирина. – Екатеринбург: ООО «УИПЦ», 2014. – 558 с.

18. Элементы теории систем и численные методы моделирования процессов тепломассопереноса: учебник для вузов / В.С. Швыдкий, Н.А. Спирин, М.Г. Ладыгичев, Ю.Г. Ярошенко, Я.М. Гордон. – М.: Интермет-Инжиниринг, 1999. – 520 с.

19. Жуховицкий А.А., Шварцман Л.А. Физическая химия: учебник для вузов. – М.: Металлургия, 1987. – 688 с.

20. Ши Д. Численные методы в задачах теплообмена: Пер. с англ. – М.: Мир, 1988. – 544 с.