Скорость движения гранул агломерационной шихты оказывает большое влияние на ход процесса окомкования и характеристики окомкованной шихты [1,2]. Так, от скорости движения шихты вдоль оси окомкователя зависит время ее пребывания в нем, что оказывает огромное влияние на гранулометрический состав шихты на выходе. От скорости движения гранул в направлении, перпендикулярном оси окомкователя (цикл «подъем-скатывание») зависит как гранулометрический состав, так и прочность получаемых гранул. Кинетическая энергия, которую приобретают гранулы шихты в процессе окомкования, определяющая, в свою очередь, ход процессов образования и упрочнения гранул, является функцией от скорости их движения в пространстве окомкователя.
В связи с вовлечением в современный агломерационный процесс большого количества тонкоизмельченных материалов, кардинально изменились свойства агломерационной шихты [3]. Основным отличием тонкозернистой шихты от грубозернистой является незначительное количество фракций, способных служить центрами гранулообразования. Окомкование такой шихты связано с кинетическими затруднениями и требует либо значительно большего времени, либо интенсификации процесса окомкования [4]. Интенсификация процесса ококмкования, в свою очередь, возможна путем организации движения потоков шихты в окомкователе и управления их скоростными характеристиками.
С целью интенсификации процесса окомкования была предложена технология рециркуляционного окомкования агломерационной шихты в конусном окомкователе с фронтальной загрузкой, обеспечивающая эффективное окомкование тонкоизмельченных материалов [5,6].
В рамках данной работы была предпринята попытка определить влияние таких параметров работы конусного окомкователя, как угол раскрытия, угол наклона и скорость вращения на скорость и направление движения гранул шихты в процессе ее окомкования.
Для этого в CAD-CAE среде была создана трехмерная модель окомкователя, основные характеристики которой приведены в таблице 1.
Таблица 1 – Основные характеристики трехмерной модели конусного окомкователя
|
Длина, м |
Радиус меньшего основания, м |
Радиус большего основания, м |
Угол наклона, град |
Угол раскрытия, град |
|
1 |
0,35 |
0,35-0,53 |
0, 5, 10 |
0, 10, 20 |
После построения трехмерной модели и наложения на нее расчетной сетки были заданы параметры процесса моделирования: физические характеристики объектов, характер их взаимодействия, время моделирования. Основные параметры процесса моделирования приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Основные параметры процесса моделирования
|
Диаметр гранул, мм |
Плотность гранул, кг/м3 |
Коэффициент силы трения |
Коэффициент Пуассона |
Модуль Юнга, MПa |
Шаг итерации, с |
Время моделирования, с |
|
10 |
2500 |
0,5 |
0,3 |
10 |
0,01 |
30 |
В качестве газовой фазы, присутствующей в окомкователе, был выбран воздух при нормальных условиях. При проведении моделирования учитывалась составляющая силы тяжести, направленная вдоль оси Z в отрицательном направлении Абсолютная величина отношения поперечной и продольной относительной деформации и величина, характеризующая свойства материала сопротивляться растяжению/сжатию при упругой деформации, которыми являются коэффициент Пуассона и модуль Юнга соответственно, полностью характеризуют упругие свойства исследуемого материала, в данном случае гранул окомковываемой шихты. Значение этих величин, используемые в данном исследовании, были выбраны на основе анализа работы [7]. Всего был выполнен 21 опыт согласно плану эксперимента, представленному в таблице 3.
Таблица 3 – План проведения исследования влияния параметров работы конусного окомкователя на скорость движения гранул
|
№ опыта |
Угол раскрытия окомкователя, град |
Угол наклона образующей, град. |
Степень заполнения |
Скорость вращения, об/мин |
|
1 |
0 |
0 |
0,15 |
10 |
|
2 |
5 |
0,15 |
10 |
|
|
3 |
10 |
0,15 |
10 |
|
|
4 |
0 |
0,15 |
15 |
|
|
5 |
0 |
0,15 |
20 |
|
|
6 |
0 |
0,30 |
10 |
|
|
7 |
0 |
0,45 |
10 |
|
|
8 |
10 |
0 |
0,15 |
10 |
|
9 |
5 |
0,15 |
10 |
|
|
10 |
10 |
0,15 |
10 |
|
|
11 |
0 |
0,15 |
15 |
|
|
12 |
0 |
0,15 |
20 |
|
|
13 |
0 |
0,30 |
10 |
|
|
14 |
0 |
0,45 |
10 |
|
|
15 |
20 |
0 |
0,15 |
10 |
|
16 |
5 |
0,15 |
10 |
|
|
17 |
10 |
0,15 |
10 |
|
|
18 |
0 |
0,15 |
15 |
|
|
19 |
0 |
0,15 |
20 |
|
|
20 |
0 |
0,30 |
10 |
|
|
21 |
0 |
0,45 |
10 |
План проведения исследования строился вокруг изменения угла раскрытия окомкователя. Угол наклона образующей окомкователя, степень заполнения и скорость вращения изменялись поочередно. Например, при фиксированном значении угла раскрытия, угла наклона и скорости вращения изменялась степень заполнения и т.д. Степень заполнения окомкователя представляла собой отношений общего объема гранул к объему окомкователя и выбиралась в пределах реальных производственных значений (0,15-0,45).
Полученные в результате моделирования данные подвергались постобработке, которая заключалась в их трехмерной визуализации в векторном представлении с последующим построением шкалы скоростей.
На рисунке 1 представлены результаты моделирования для окомкователя с углом раскрытия 0 градусов.
а – угол наклона 00, степень заполнения 0,15, скорость вращения 10 об/мин; б – угол наклона 50, степень заполнения 0,15, скорость вращения 10 об/мин; в – угол наклона 100, степень заполнения 0,15, скорость вращения 10 об/мин; г – угол наклона 00, степень заполнения 0,15, скорость вращения 15 об/мин; д – угол наклона 00, степень заполнения 0,15, скорость вращения 20 об/мин; е – угол наклона 00, степень заполнения 0,30, скорость вращения 10 об/мин; ж – угол наклона 00, степень заполнения 0,45, скорость вращения 10 об/мин;
Рисунок 1– Результаты моделирования для окомкователя с углом раскрытия 0 градусов
Из анализа полученных результатов видно, что в данном случае на скорость движения гранул перпендикулярно оси вращения устройства влияет угол его наклона, скорость вращения и степень заполнения.
При увеличении угла наклона окомкователя от 0 до 10 градусов (рисунок 1, а-в) максимальная скорость движения гранул не изменяется, и составляет примерно 0,29 м/с. Вектор скорости направлен преимущественно вдоль поверхности окомкователя, угол его наклона относительно горизонтали равен углу наклона самого окомкователя. Это одна из двух составляющих, которыми обусловлено возникновение эффекта рециркуляции в цилиндрических окомкователях при установке их с наклоном в сторону, противоположную стороне выгрузки. Второй составляющей является «просыпание» мелких частичек сквозь промежутки между крупными в поле действия силы тяжести. Стоит также отметить, что при увеличении угла наклона окомкователя уменьшается скорость движения гранул возле его задней стенки, что связано с увеличением «локальной» степени заполнения. Механизм этого явления заключается в том, что некоторое количество гранул движутся вверх не по стенке окомкователя, а по промежуточному слою гранул. Этот слой неустойчив, составляющие его гранулы постоянно перестраиваются, скатываются вниз, что не позволяет гранулам из вышележащего слоя развить высокую скорость движения. Скорость движения гранул в пристеночной области находилась в диапазоне 0,008-0,049 м/с.
Увеличение скорости вращения окомкователя (рисунок 1, г-д) не оказывает существенного влияния на направление вектора скорости движения гранул, а его величина пропорционально увеличивается. При увеличении скорости от 10 до 20 об/мин максимальная скорость движения гранул увеличилась от 0,29 до 0,5 м/с, т.е. на 42 %.
Увеличение степени заполнения окомкователя также не повлияло на направление вектора скорости движения гранул, но уменьшилось количество гранул, движущихся с максимальной скоростью, которая в этом случае составляла 0,28 м/с, а минимальная находилась в диапазоне 0,006-0,02 м/с. Это объясняется эффектом, описанным выше, когда часть гранул движется не по поверхности окомкователя, а по промежуточному слою гранул.
На рисунке 2 представлены результаты моделирования для окомкователя с углом раскрытия 10 градусов.
а – угол наклона 00, степень заполнения 0,15, скорость вращения 10 об/мин; б – угол наклона 50, степень заполнения 0,15, скорость вращения 10 об/мин; в – угол наклона 100, степень заполнения 0,15, скорость вращения 10 об/мин; г – угол наклона 00, степень заполнения 0,15, скорость вращения 15 об/мин; д – угол наклона 00, степень заполнения 0,15, скорость вращения 20 об/мин; е – угол наклона 00, степень заполнения 0,30, скорость вращения 10 об/мин; ж – угол наклона 00, степень заполнения 0,45, скорость вращения 10 об/мин;
Рисунок 2– Результаты моделирования для окомкователя с углом раскрытия 10 градусов
При увеличении угла раскрытия окомкователя от 0 до 10 становится заметным наличие двух зон по длине устройства, которые можно условно разделить, по скорости движения гранул, на высокоскоростную и низкоскоростную, или, другими словами, на зону высоких и низких динамических нагрузок. Для успешного окомкования шихты, содержащей большое количество тонкоизмельченных материалов, в которой наблюдается дефицит центров гранулообразования, необходимо организовать их принудительное образование. Это достигается, например, использованием двузонной системы увлажнения [8]. Необходимым условием для образования зародыша в зоне капельного увлажнения является невысокая скорость движения потока шихты, позволяющая капле связующего проникнуть в слой, образовать зародыш и не дать ему разрушиться под действием чрезмерных нагрузок. В то же время, на выходе из устройства необходима высокая скорость движения гранул, способная обеспечить их необходимое обжатие, и, тем самым, повышение прочности.
В низкоскоростной зоне скорость движения гранул не отличается от таковой для угла раскрытия 00, и находится в пределах 0,15-0,18 м/с, тогда как в высокоскоростной зоне она гораздо выше. Так, при скорости вращения 20 об/мин она достигает значения 0,64 м/с, что на 22 % выше, чем при аналогичных условиях для угла раскрытия 00.
Наличие высокоскоростной и низкоскоростной зон при окомковании шихты в конусном окомкователе также является одним из механизмов массопереноса, когда вследствие большего значения центробежной силы в высокоскоростной зоне в нее затягиваются гранулы из низкоскоростной, что хорошо видно из анализа рисунка 2, д. Изменение угла наклона окомкователя приводит к устранению эффекта затягивания гранулы из низкоскоростной зоны, а максимальная скорость гранул снижается, подобно тому, как это происходит при угле раскрытия окомкователя 00. Увеличение скорости вращения устройства приводит к пропорциональному увеличению скорости движения гранул по его длине.
На рисунке 3 представлены результаты моделирования для окомкователя с углом раскрытия 20 градусов.
а – угол наклона 00, степень заполнения 0,15, скорость вращения 10 об/мин; б – угол наклона 50, степень заполнения 0,15, скорость вращения 10 об/мин; в – угол наклона 100, степень заполнения 0,15, скорость вращения 10 об/мин; г – угол наклона 00, степень заполнения 0,15, скорость вращения 15 об/мин; д – угол наклона 00, степень заполнения 0,15, скорость вращения 20 об/мин; е – угол наклона 00, степень заполнения 0,30, скорость вращения 10 об/мин; ж – угол наклона 00, степень заполнения 0,45, скорость вращения 10 об/мин;
Рисунок 3– Результаты моделирования для окомкователя с углом раскрытия 20 градусов
При дальнейшем увеличении угла раскрытия окомкователя от 10 до 200 наблюдается сокращение длины высокоскоростной зоны, а переход между зонами становится более резким. Увеличение скорости движения гранул происходит пропорционально, максимальная скорость при 20 об/мин составляет 0,78 м/с, что на 18 % больше, чем при угле раскрытия 100, и на 36 % больше, чем при угле раскрытия 00.
При больших углах раскрытия и наклона окомкователя (в данном случае 20 и 100 соответственно) наблюдается образование застойной зоны вблизи задней глухой стенки устройства, когда часть шихты начинает вращаться вместе с нею и не принимает участие в процессе окомкования. Образование застойной зоны и зоны показаны на рисунке 3, в.
В таблице 4 приведены максимальные и минимальные скорости движения гранул, полученные в результате проведения моделирования, а также рассчитана их кинетическая энергия. Расчет кинетической энергии гранул производился по следующей формуле:
где Ek – кинетическая энергия гранулы, Дж;
m – масса гранулы, кг;
v – скорость гранулы, м/с.
Под максимальной скоростью движения гранулы во всех случаях подразумевалась наивысшая скорость, достигаемая гранулой в момент перехода ее кинетической энергии в потенциальную.
Таблица 4 – Изменение скорости и кинетической энергии гранул в процессе моделирования
|
№ опыта |
Максимальная скорость движения гранулы, м/с |
Минимальная скорость движения гранулы, м/с |
Максимальная кинетическая энергия гранулы, Дж |
Минимальная кинетическая энергия гранулы, Дж |
|
1 |
0,272 |
0,049 |
4,85 ∙ 10–5 |
1,57 ∙ 10–6 |
|
2 |
0,289 |
0,013 |
5,47 ∙ 10–5 |
1,11 ∙ 10–7 |
|
3 |
0,289 |
0,008 |
5,47 ∙ 10–5 |
4,19 ∙ 10–8 |
|
4 |
0,395 |
0,087 |
1,02 ∙ 10–4 |
4,96 ∙ 10–6 |
|
5 |
0,501 |
0,114 |
1,64 ∙ 10–4 |
8,51 ∙ 10–6 |
|
6 |
0,272 |
0,020 |
4,85 ∙ 10–5 |
2,62 ∙ 10–7 |
|
7 |
0,272 |
0,006 |
4,85 ∙ 10–5 |
2,36 ∙ 10–8 |
|
8 |
0,341 |
0,027 |
7,62 ∙ 10–5 |
4,77 ∙ 10–7 |
|
9 |
0,290 |
0,026 |
5,51 ∙ 10–5 |
4,43 ∙ 10–7 |
|
10 |
0,240 |
0,006 |
3,77 ∙ 10–5 |
2,36 ∙ 10–8 |
|
11 |
0,493 |
0,028 |
1,59 ∙ 10–4 |
5,14 ∙ 10–7 |
|
12 |
0,637 |
0,028 |
2,66 ∙ 10–4 |
5,14 ∙ 10–7 |
|
13 |
0,339 |
0,009 |
7,53 ∙ 10–5 |
5,31 ∙ 10–8 |
|
14 |
0,344 |
0,007 |
7,75 ∙ 10–5 |
3,21 ∙ 10–8 |
|
15 |
0,404 |
0,013 |
1,07 ∙ 10–4 |
1,11 ∙ 10–7 |
|
16 |
0,309 |
0,007 |
6,25 ∙ 10–5 |
3,21 ∙ 10–8 |
|
17 |
0,244 |
0,011 |
3,90 ∙ 10–5 |
7,93 ∙ 10–8 |
|
18 |
0,596 |
0,013 |
2,33 ∙ 10–4 |
1,11 ∙ 10–7 |
|
19 |
0,782 |
0,019 |
4,01 ∙ 10–4 |
2,36 ∙ 10–7 |
|
20 |
0,417 |
0,009 |
1,14 ∙ 10–4 |
5,31 ∙ 10–8 |
|
21 |
0,407 |
0,007 |
1,09 ∙ 10–4 |
3,21 ∙ 10–8 |
Выводы. На основе данных, полученных в ходе проведения компьютерного моделирования влияния угла раскрытия, угла наклона и скорости вращения конусного окомкователя на скорость движения гранул окомковываемой аглошихты можно сделать следующие выводы:
- Угол раскрытия оказывает значительное влияние на механизм движения шихты внутри окомкователя. С ростом угла раскрытия наблюдается формирование двух зон: высокоскоростной и низкоскоростной, обеспечивающих разные условия для процессов формирования, роста и упрочнения гранул. В цилиндрическом окомкователе формирования зон с разными скоростями движения гранул не наблюдается. При изменении угла раскрытия от 0 до 20 градусов максимальная скорость движения гранул увеличивается от 0,272 до 0,404, т.е на 33 %.
- С ростом угла раскрытия происходит «затягивание» гранул из низкоскоростной зоны в высокоскоростную, чем обусловлено изменение «локальной» степени заполнения.
- С ростом значения угла наклона окомкователя наблюдается падение максимальной скорости движения гранул в области задней глухой стенки, с последующим образованием застойной зоны. Для угла раскрытия окомкователя 00 при изменении его наклона от 0 до 10 градусов минимальная скорость снизилась с 0,049 до 0,008 м/с, т.е. на 84%, для угла раскрытия 100 с 0,027 до 0,006, т.е. на 77 %, и только для угла раскрытия в 200 осталась постоянной. В то же время, увеличение угла наклона при значении угла раскрытия 00 является инициатором процесса рециркуляции.
- Увеличение скорости вращения окомкователя во всех случаях приводит к пропорциональному росту скорости движения гранул. Для угла раскрытия окомкователя 00 при изменении скорости вращения с 10 до 20 об/мин максимальная скорость возросла с 0,272 до 0,500 м/с, т.е. на 46 %, для угла раскрытия 100 с 0,341 до 0,637 м/с, т.е. на 46 %, а для угла раскрытия в 200 с с 0,404 до 0,782 м/с, т.е. на 48 %.
В результате обобщения полученных данных можно сделать вывод, что конусный окомкователь является перспективным устройством, способным обеспечить благоприятные условия для формирования (низкоскоростная зона), роста и упрочнения (высокоскоростная зона) гранул агломерационной шихты, содержащей большое количество тонкоизмельченных материалов и, тем самым, повысить качество ее окомкования. Хорошо окомкованная шихта является необходимым условием для интенсификации агломерационного процесса, и, прежде всего, для поднятия высоты спекаемого слоя до 0,6-0,9 м.
Библиографический список
- Коротич В.И., Фролов Ю.А., Бездежский Г.Н. Агломерация рудных материалов. Екатеринбург, 2003.
- Ковалёв Д.А., Ванюкова Н.Д., Иващенко В.П. Теоретические основы производства окускованного сырья. Днепропетровск, 2011.
- Куркин В.М. и др. Пути оптимизации подготовки аглошихты // Металлург. 2005. № 3.
- Малыгин А.В., Александров Л.И. О получении однородного гранулометрического состава агломерационной шихты // Известия ВУЗов, Черная металлургия. 1986. № 5.
- Дорогой Е.В. Некоторые особенности окомкования агломерационной шихты в конусном окомкователе // VII Краковская конференция молодых ученых. Krakow: AGH, 2012.
- Дорогой Е.В. Окомкование агломерационной шихты в конусном окомкователе с фронтальной загрузкой // Проблемы недропользования. Санкт-Петербург, 2012.
- Barrios G.K.P. et al. Contact parameter estimation for DEM simulation of iron ore pellet handling // Powder Technol. 2013. Vol. 248.
- Дорогой Е.В. Механизм образования, роста и упрочнения гранул в пространстве конусного окомко-вателя // Донбас-2020. Перспективи розвитку очима молодих вчених. Матеріали VI науково-практичної конференції. Донецьк. 2012.