Отчет по научно-исследовательской практике в МГТУ им. Г.И. Носова г.Магниторогорск

Приложение 8 – План Госбюджетных работ преподавателей кафедры теплотехнических и энергетических систем на 2008  – 2011  г.

Приложение 9 -  Перечень монографий, статей, тезисов докладов 2008 – 2010 гг.

9. Перспективные направления научных исследований отдела. Выбрали одно из перспективных  направлений и обосновали его  связь с темой собственного диссертационного исследования.

 

На кафедре ТиЭС очень  много различных научных направлений, по которым можно заниматься исследованиями (с ними вы можете ознакомиться в приложениях). Но меня больше всего заинтересовала тема, связанная с утилизацией тепла, а именно утилизация тепла раскаленного кокса. По этой теме уже не один год ведутся исследования, и это говорит о том, что тема актуальна и значима. Но также изучив соответствующую литературу, должна заметить, я убедилась в том, что эта тема еще не до конца исследована и изучена.

Картавцев Сергей Владимирович занимается этой тематикой в рамках, которой я начала свою работу.

 

10. Сведения о научном руководителе.

 

Картавцев Сергей Владимирович (9.01.1952, г.Челябинск, СССР).

• Профессор (2008), доктор технических наук (2007).
• Инженер-теплоэнергетик (1974г., Магнитогорск, МГМИ им. Г.И. Носова)
• Аспирантура МЭИ, к.т.н. 05.14.04 Промышленная теплоэнергетика (Москва, 1988 г.).
• Докторантура МЭИ, защита докторской диссертации 05.14.04 (Москва, 2007).
• Награжден Нагрудным знаком Министерства образования РФ "За развитие научно-исследовательской работы студентов", (Москва, 2005 г.)
• В 2000г. вернулся из докторантуры МЭИ Картавцев С.В. и набрал группу исследователей по направлению повышения энергоэффективности металлургического производства.
• Инициатор и основной исполнитель открытия аспирантуры 05.14.04 Промышленная теплоэнергетика в Магнитогорске, МГТУ, энергофак, кафедра ТиЭС в 2003 г.
• Подготовил двух кандидатов технических наук по 15.14.04 Промышленная теплоэнергетика:
• Строгонов К.В. (защита 16.12.2005, Москва, МЭИ, ПТЭФ),
• Нешпоренко Е.Г. (защита 17.11.2006, Москва, МЭИ, ПТЭФ)

 

      АВТОР КНИГ:

1. Картавцев С.В. Природный газ в восстановительной плавке: СВС и ЭХА: Монография. – Магнитогорск, МГТУ, 2000. – 188 с.
2. Картавцев С.В. Теплоэнергетические системы и энергетические балансы промышленных предприятий: Учебное пособие. – Магнитогорск, МГТУ, 2000. – 156 с.
3. Строгонов К.В., Картавцев С.В. Жидкая сталь. Использование теплоты и скоростная разливка: Монография. – Магнитогорск, МГТУ, 2006. – 147 с.
4. Нешпоренко Е.Г., Картавцев С.В. Вопросы энергоресурсосбережения при извлечении железа из руд: Монография. – Магнитогорск, МГТУ, 2007. – 153 с.
5. Картавцев С.В. Река времен: Стихи и песни. – Магнитогорск, МГТУ, 2007. – 116 с.
6. Картавцев С.В. Интенсивное энергосбережение и технический прогресс черной металлургии. – Магнитогорск, ГОУ ВПО «МГТУ», 2008. – 311 с. (New!)
7. Картавцев С.В., Нешпоренко Е.Г. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии:Учебное пособие. – Магнитогорск, МГТУ, 2008. – 119 с.  (New!)

II. Практическая часть научно-исследовательской практики

Разработка программы НИР (проекта) [8]

Тема  программы: коксохимическое производство.

Цели  и задачи программы: ознакомление со способами и устройствами использования ВЭР коксохимии (способами утилизации теплоты кокса).

Тема  проекта: Определение вертикального давления сыпучих материалов (кокса и извести) в присутствии газового потока

Целью работы является изучение зависимости потерь напора в слое сыпучего материала (слой кокса с измельченной известью) от скорости движения газового потока, крупности и формы частиц материала.

В работе решаются следующие задачи:

• установление зависимости потерь напора от скорости газа;
• установление влияния крупности материала на потери напора;
• установление влияния в присутствии газового потока вертикального давления столба сыпучих материалов в зависимости от отношения высоты к его диаметру.

 

Ход разработки программы:

 

В ходе проведения эксперимента использовалась лабораторная установка  № 6 кафедры МЧМ в аудитории 033. Под руководством доктора технических наук, профессора кафедры “Металлургия чёрных металлов” Сибагатуллиным  Салаватом Камиловичем и ассистентом Харченко Александром Сергеевичем был проведен опыт на данной установке.

 

ЛАБОРАТОРНАЯ  РАБОТА № 6

ИЗУЧЕНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ  ФАКТОРОВ НА ПОТЕРИ НАПОРА В СЛОЕ СЫПУЧЕГО МАТЕРИАЛА

 

В доменных печах теплообменные, физико-химические и другие процессы протекают в условиях противоточного движения опускающегося столба шихтовых материалов и восходящего от фурменных очагов к колошнику потока газов. Поэтому газопроницаемость столба шихты оказывает влияние на ход доменного процесса и результаты плавки. Чем выше газопроницаемость материалов, тем равномернее распределяется газовый поток по сечению печи и полнее используется тепловая и химическая энергия его, тем ровнее опускается столб материалов в печи.

Оценить механическое взаимодействие названных встречных потоков  можно по перепаду давления газа. Величина перепада давления (потерь напора) газа, движущегося в слое материалов, характеризует  сопротивление слоя потоку газа, и, в соответствии с III законом Ньютона («Действие равно противодействию»), - подъемную силу газового потока по отношению к слою, т.е. если потери напора выражаются в кгс/м² (в мм вод. ст.)^*, то это одновременно является численным значением величины подъемной силы газа по отношению к 1 м² сечения столба шихтовых материалов в доменной печи. Следовательно, при прохождении газа через столб материалов часть веса шихты в печи уравновешивается подъемной силой газа.

Газопроницаемость шихты  должна быть достаточной для прохождения через нее газа в количестве 1,5-2,5 м³/м²∙с, при этом степень уравновешивания шихты подъемной силой газа не должна превышать величину, при которой еще сохраняется устойчивое состояние столба шихты.

Под степенью уравновешивания N (иногда этот параметр называют критерием аэродинамической устойчивости) понимается доля веса шихты G, уравновешиваемая подъемной силой газа F:

 (1)

где h - перепад давления (потери напора) в слое материалов высотой Н м, кгс/м²;

 h’ - то же в слое высотой 1 м (так называемые удельные потери напора), кгс/м²;

 S - сечение слоя, м²;

 δ - насыпная масса шихты, кг/м³, численно равная насыпной плотности в кгс/м³.

Допустимое значении N в нормально работающих печах составляет 0,5 – 0,7, т.е. 50-70%, при удельных потерях напора 400 – 500 мм вод. ст. (40 – 50 кПа/м).

1. ОСНОВНЫЕ ЗАВИСИМОСТИ

Потери напоры (перепад  давления) газа замеряют на доменных печах или в лабораторных условиях манометрами различных типов, могут быть они определены также расчетом по уравнению, выводимому на основе теории подобия [10]:

 (2)

где ω - скорость движения газа на свободное сечение, занимаемое слоем, м/с;

H - высота слоя материалов, м;

ρ - плотность газа, Н/м³;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

d - линейный размер каналов в слое материала, м;

ε - порозность слоя - относительный объем межкусковых пустот, м³/м³;

λ - коэффициент сопротивления.

Диаметр каналов в слое

 (3)

где k - коэффициент формы кусков, принимаемый для кокса и окатышей равным 6; для руды - 7,7; для агломерата - 7,8;

f_экв - эквивалентный по поверхности диаметр кусков, рассчитываемый по гранулометрическому (ситовому) составу материала:

 (4)

где а_i - доля отдельной фракции в материале;

f_i - среднеарифметический размер куска соответствующей фракции, м.

Коэффициент сопротивления λ зависит от режима движения газа, характеризуемого критерием (числом) Рейнольдса, отражающим соотношение инерционных и вязкостных (трения) сил в потоке газа:

      (5)

где ν - динамическая вязкость газа, Н/м∙с.

Для ламинарного режима (Re <250 – 350) 

для турбулентного режима (Re >350) .

 

2. ВЛИЯНИЕ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ПОТЕРИ НАПОРА В СЛОЕ

Общий характер зависимости потерь напора от скорости движения потока газа приведен на рис. 1. При возрастании скорости потери напора увеличиваются по плавной кривой, соответствующей степенной зависимости между ними (формула (2)), затем потери напора могут повыситься при постоянной скорости. При дальнейшем увеличении скорости движения газа происходит замедление роста потерь напора (в результате выноса из слоя пыли и мелких фракций) и колебание их около некоторого уровня (после перехода слоя во взвешенное состояние или образования в нем каналов).

Зависимость потерь напора от скорости газа может быть приведена к более простому виду - известному уравнению Л.К. Рамзина

     (8)

где а - коэффициент, включающий все величины, не зависящие от давления;

т - показатель степени, зависящий от режима движения и определяющий интенсивность роста потерь напора при увеличении скорости (изменяется в пределах 0-2).

Этот показатель степени  может быть вычислен по опытным данным по уравнению

     (9)

где h₂ и h₁ - потери напора при скоростях движения газа ω₂ и ω₁.

Рис. 1. Зависимость потерь напора h в слое материала от скорости движения газа w

Потери напора в слое тем  ниже, чем выше крупность материала, но при этом следует иметь в  виду, что влияние крупности кусков (размера пустот) зависит от режима движения: зависимость потерь напора от крупности проявляется в большей  степени при меньшем абсолютном размере кусков (рис. 2 - ∆h₂/∆f больше ∆h₁/∆f).

Шихтовые материалы доменной плавки неоднородны по крупности и различаются гранулометрическим составом, в связи с этим и газопроницаемость их различна. Кокс в доменной печи, наряду с другими функциями (источник теплоты, восстановителей и углерода, переходящего в чугун), является (при недостаточной газопроницаемости шихты) и разрыхлителем, так как он более крупный и однородный по ситовому составу. В доменные печи обычно загружают кокс крупнее 25-40 мм, в то время как руда и агломерат неоднородны по крупности и содержат большее количество мелочи. Например, крупность агломерата может быть в пределах от 1-2 до 60-80 мм.

Потери напора обратно  пропорциональны порозности в четвертой или близкой к ней степени

где А - коэффициент.

Ввиду этого даже незначительное колебание порозности вызывает существенное изменение потерь напора. Порозность слоя определяется плотностью укладки материалов, которая зависит от гранулометрического состава, формы кусков, а также условий формирования и состояния слоя (покоящийся или находящийся в движении).

Рис. 2. Зависимость потерь напора от крупности материала (w = const)

Шихтовые материалы представляют собой смесь кусков разного размера. Чем больше разница в размере кусков, тем выше вероятность размещения мелочи в межкусковых пустотах.

Различаются шихтовые материалы  и формой кусков, в связи с чем  при одинаковой крупности порозность их различная. Шарообразные материалы (окатыши) имеют более плотную  упаковку и меньшую порозность, чем  материалы с неправильной формой кусков (агломерат). При одинаковой крупности материалы шарообразной формы должны иметь меньшую газопроницаемость (т.е. большие потери напора в них), чем кусковые материалы. При загрузке в доменную печь окатыши имеют  достаточную газопроницаемость  при крупности 10-12 мм и более.

Ссыпающиеся с конуса в  печь материалы уплотняют слой в  месте их падения, уменьшая там порозность, и тем в большей степени, чем выше высота падения и насыпная плотность материала. Переход слоя материалов от состояния покоя к движению сопровождается увеличением его порозности благодаря разрыхлению материалов, особенно в пристеночной зоне, т.е. движущаяся вниз шихта более газопроницаема (это возможно при отличии диаметров кусков более, чем в два раза) и, следовательно, больше порозность слоя.