بخشی از مقاله

چکیده

انرژی در صنایع فولاد سهم مهمی از هزینه کل را دارا بوده و بنابراین کاهش میزان سوخت مصرفی در صنایع آهن و فولاد تاثیر مستقیمی بر قیمت تمام شده هر تن فولاد خواهد داشت. کورههای پخت گندلههای اکسید آهن به علت مصرف انرژی زیاد آنها، فرآیندهایی گران هستند. بنابراین کاهش مصرف انرژی در این فرآیند یکی از گامهای اساسی برای کاهش مصرف انرژی در تولید فولاد است.

یافتن متغیرهای بهینه توسط روشهای تجربی امری وقتگیر و هزینهبر است؛ زیرا حجم زیادی از گندلههای پخته بدون کیفیت تولید میشود. اولین مرحله از مراحل سهگانه پخت گندله، خشک کردن گندلههای خام میباشد. برای بررسی اثر سرعت بستر و فلاکس هوای ورودی به بستر، از مدلسازی ریاضی استفاده شده است. این مدل قادر به تعیین توزیع دما، میزان کاهش رطوبت، نرخ خشک شدن رطوبت و همچنین بررسی اثر سرعت بستر و فلاکس هوای ورودی به بستر میباشد.

-1 مقدمه

گندلهٌها به عنوان بار ورودی کوره بلند و تولید آهن اسفنجی به روش احیا مستقیم بکار میروند. برای تولید گندله خام، نرمه سنگ آهن به همراه بنتونیت و دیگر افزودنیها مثل سنگ آهک، نرمه کک و رطوبت برای دستیابی به شکل کروی در دیسکهای گندلهسازی به چرخش در آورده میشوند تا گندله خام تولید شود. گندلههای خام دارای استحکام کمی هستند. بنابراین باید به نحوی سخت شوند تا هم استحکام آن زیاد شود و هم گندله نیز خرد نشود. به این منظور گندلهها بر روی یک زنجیر متحرکٍ بار شده و تشکیل یک بستر فشرده میدهند.

برای حفاظت از زنجیر متحرک در مقابل دمای بالای گاز، ابتدا مقداری گندله پخته و سپس گندله خام روی باند پخت پهن میشود. گاز گرم، بسته به دما و مرحله پخت از بالا و یا از پایین به داخل بستر گندله دمیده شده و در نهایت سرد میشود. انرژی مورد نیاز برای جبران تلفات حرارت باید از طریق احتراق سوخت توسط مشعلها و واکنش مگنتیت با کربن تامین شود.

چهار تحول فیزیکی / شیمیایی اساسی در هنگام پخت گندله رخ میدهد: تبخیر و تقطیر آب، تکلیس سنگ آهک، اکسیداسیون مگنتیت و احتراق کربن. البته امکان بازیابی بخشی از حرارت تلف شده و بازگشت آن به سیستم وجود دارد. میزان حرارت قابل بازیابی نیز با تغییر شرایط عملیات تغییر میکند .[1] در این مقاله فقط به بررسی نحوه خشک شدن گندلهها میپردازیم.

افزودن رطوبت به مواد خام سازنده گندله، حرارت لازم برای پخت گندله را افزایش میدهد . افزودن آب به مخلوط پودر داخل دیسکهای گندلهسازی سبب گسترش توزیع اندازه، افزایش قابلیت نفوذ و کاهش تخلخلٌ بستر گندله میشود. مهمترین تاثیر مربوط به اندازه است. کاهش تخلخل، دبی گاز و بازدهی فرآیند را باعث می-شود. هرچند مقدار این کاهش قابل توجه نیست؛ زیرا گندلههای بیش از حد ریز و بیش از حد درشت، قبل از ورود به کوره پخت، بازگشت داده میشوند

برای تعیین درصد بهینه رطوبت در گندله خام، دو عامل مهم زیر باید در نظر گرفته شود: -1 مناسب بودن شرایط عملیاتی لازم برای ادامه کار دیسکهای گندلهسازی -2 حصول استحکام و تخلخل کافی برای انجام مطلوب فرآیند پخت سیستم پخت گندله از شش ناحیه تشکیل شده است: ناحیه خشک کردن با جریان رو به بالاٍ - UDD - ، ناحیه خشک کردن با جریان رو به پایینَ - DDD - ، ناحیه پیشگرم کردنُ - PH - ، ناحیه پختِ - F - ، ناحیه اول سرد کردنّ - C1 - و ناحیه دوم سرد کردن

مراحل مختلف پخت و توزیع جریان گاز در یک واحد گندله-سازی در شکل 1 نشان داده شده است. همانطور که در شکل مشخص است، هوای خروجی از ناحیه اول سرد کردن به نواحی پیشگرم و پخت دمیده میشود. سپس از هوای خروجی از ناحیه پخت برای ناحیه خشک کردن با جریان رو به پایین استفاده میشود. معمولا دمای هوای ورودی به ناحیه خشک کردن با جریان رو به پایین از دمای هوای ورودی به ناحیه خشک کردن با جریان رو به بالا بیشتر است. جریان گاز خروجی از دومین ناحیه سرد کردن به منظور خشک شدن گندلهها در ناحیه خشک کردن با جریان رو به بالا در دمایی حدود 200 تا C ، بگونهای که ترکیدن گندلهْ رخ ندهد، استفاده میشود. ترکیدن در اثر فشار بخار تولید شده در هنگام خشک شدن سریع گندله رخ میدهد. این پدیده عموما زمانی رخ میدهد که دمای گندله از یک مقدار معین خیلی بیشتر شود

شکل :1 دیاگرام شماتیک جریان گاز و گندله در فرآیند پخت گندله [15] استفاده از ترکیبی از عملیات خشک کردن با جریان رو به بالا و رو به پایین به منظور جلوگیری از شکستن گندله ها است که باعث کاهش بازدهی حرارتی فرآیند پخت میشود. نواحی مختلف فرآیند به شدت بر یکدیگر تاثیرگذار بوده و تغییر دمای گاز ورودی به ناحیه پخت باعث تغییر شرایط گاز ورودی به ناحیه خشک شدن می-شود که این خود منجر به تغییر دمای بستر و دمای گندله ورودی به ناحیه پخت میشود. بعضی از این تغییرات برای اپراتور آشکار است. اما بسیاری از تغییرات دارای اثراتی میباشند که تشخیص و اصلاح آنها برای اپراتور مشکل است

مدلسازیهای بسیاری تاکنون برای پخت گندله ارایه شده است. اولین کارها در این زمینه توسط وسپانک و براز [4] صورت گرفته است. تورلبی و همکارانش [5] فرض کردند که خشک شدن گندله فقط در سطح انجام می-شود. وینیسکیج و باترهمت [6] مطالعاتی بر روی جنبههای مختلف پخت گندله از قبیل خشک شدن، احتراق کک و اکسیداسیون مگنتیت انجام دادند.

الجانگ و همکاران [7] مدلی را برای خشک شدن همرفتی برای یک گندله منحصر بفرد که در معرض جریان هوای آزاد قرار گرفته است را ارائه کردند. تورلبی [10-8] مدلهایی را برای فرآیند پخت گندله ارائه کرد. فنگ و همکاران [11] یک مدل ریاضی برای فرآیند خشک شدن را بر مبنای قوانین بقای جرم، مومنتم، انتقال حرارت و روابط نیمه تجربی خشک شدن ارائه کردند.

تسورکمن و همکاران [12] مدلی چهار مرحلهای برای خشک کردن گندلهها ارائه کردند. ماجومدر و همکاران [13] یک سختکن مجازی را ارائه کردند که با استفاده از آن به شبیهسازی فرآیند سخت کردن گندلههای تر در سیستم شبکه متحرک، پرداختند. شبیهساز آنها بر اساس مدل کردن پدیدههای موجود در فرآیند سخت کردن است. حمیدی و پایاب [14] نیز یک مدل ریاضی برای پایلوت پلنت نیمه صنعتی ارائه کردهاند. هر سه واکنش آهک، مگنتیت و کربن و همچنین انتقال حرارت هدایتی در داخل گندله در نظر گرفته شده است.

صدرنژاد و همکاران [15] یک مدل ریاضی ارائه کردند که قادر به تعیین دمای گندله در قسمتهای مختلف بستر و در ارتفاعات مختلف آن و همچنین کیفیت گندله تولیدی میباشد. آنها در کار خود، هر سه واکنش شیمیایی احتراق کربن، تکلیس سنگ آهک، اکسیداسیون مگنتیت و همچنین فرآیند تبخیر رطوبت را در نظر گرفتند. یک مدل ریاضی برای فرآیند خشک و سخت شدن گندله در مقیاس صنعتی توسط وانگ و همکاران [16] ارائه و نتایج حاصل با دادههای اندازهگیری شده از کارخانه مقایسه شده است. مدل آنها بر اساس قوانین انتقال جرم، حرارت و ترکیب پدیدههای فیزیکی و شیمیایی است.

-2 شبیهسازی فرآیند خشک شدن گندلهها

شبیهسازی فرآیند خشک شدن بستر گندلهها با استفاده از نرمافزار محاسباتی انسیس فلوئنت انجام شده است. برای انجام این کار فرضیاتی از قبیل: -1 انتقال حرارت تشعشعی ناچیز -2 یکسان بودن پروفیل دمایی در عرض بستر -3 ثابت بودن تخلخل گندلهها و تابعیت دمایی خواص فیزیکی گندلهها -4 پایداری فرآیند، در نظر گرفته شده است. بدین منظور ناحیه خشک کردن را با در نظر گرفتن روابط مربوطه در نرمافزار مدل میکنیم.

الف – معادله انتقال حرارت برای فاز گاز معادله انتقال حرارت برای فاز گاز بصورت زیر است:

اولین ترم سمت راست معادله فوق، انتقال حرارت بوسیله انتقال انرژی، نفوذ اجزا و اتلاف ویسکوزیته را نشان  میدهد. Sh ، شامل گرمای ناشی از واکنشهای  شیمیایی و دیگر منابع گرمایی حجمی میباشد. در این کار، Sh ، بصورت انتقال حرارت جابجایی میباشد

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید