Statystyczna analiza działania pieca martenowskiego opalanego gazem ziemnym z samokarburyzacją

Z E SZ YT Y N A U K O W E P O L I T E C H N I K I Ś LĄSKIEJ Seria: E n e r g e t y k a z. 4®

________ 1973 W r ko l . 3 7 5

J e r z y Tome cz ek

Inst y tu t E n e rg et yk i Gazowej Jan N a d z i a k i e w i c z

Instytut Tec h ni ki Cieplnej

S T A T Y S T Y C Z N A A N A L I Z A D Z I A Ł A N I A P I EC A M A RT EN O W S K I E G O O PA LANEGO G A Z E M Z I E M N Y M Z S A M O K A R B U R Y Z A C J Ą

S t r e s z c z e n i e .W p r a c y p r z e a n a l i z o w a n o w pł y w dz ie si ę c i u p a r a m e t r ó w m a d zi ałanie pi e ca m a r t e n o w s k i e g o opalanego gazem ziemnym. M e t o d ą r e g r e ­ sji w i e l o p a r a m e t r o w e j u s t a l o n o wpływ tych parame t ró w n a w y d a j n o ś ć p i e ­ ca oraz czas trwania w y to p u. Wyni ki o b l i c ze ń w y k o n a n y c h n a m a s z y n i e c y ­ frowej p r z e d s t a w i o n o w p o s t a c i r ó w n a ń oraz w p o s ta ci wy k re só w.

W stęp

P ra wi d ł o w e p ro w ad ze ni e w y t o p ó w w p i e c u m a r t e n o w s k i m w y ma ga zn a jo m o ś c i w p ł y w u w s z y s t k i c h c zy nn ik ó w na p r z e b i e g procesu. P r o b l e m ten jest r ó w n i e ż b ar dz o i s t o t n y p r z y m o d e r n i z a c j a c h pieców m a r t e n o w s k i e h z w i ą z a n y c h z p r z e j ś c i e m na i n n y rodzaj paliwa.

N a p r z e b i e g p r o c e s u m a r t e n o w s k i e g o w p ł y w a j ą czynniki z wiązane z k o n ­ s t r u k c j ą pieca, czynniki e k s p lo at a cy jn e oraz b ar dz o trudne do o k r e ś l e n i a czynniki o rg anizacyjne. C e l e m n in ie j s z e j p r a c y było us t al en ie w p ł y w a c z y n ­ ników e k s p l o a t a c y j n y c h n a dz i ał an ie pieca.

P o w a ż n y m p r o b l e m e m w y n i k a j ą c y m p r z y o pa l a n i u p ie ca m a r t e n o w s k i e g o g a ­ zem ziem ny m jest m a ł a e mi sy jn o ść płomienia. Jako r oz wi ą za ni e s t os uj e się tak zwaną k ar bu r y z a o j ę p o l e g a j ą c ą na d o p r o w a d z e n i u do r oz kł a d u p a l i w a n a w ę g i e l w p o s ta ci s ad z y i wodór . E fe kt ten osiąga się przez u ż y c i e d o d a t ­ kowego k a r b u r y z a t o r a (np. mazut) lub przez ter mi c zn y rozkład c z ę śc i m e t a ­ n u na s ku t ek w s t ę p n e g o p o d g r z a n i a (tzw. s a m o k a r b u r y z a c j a ) . [1,2,3J . Ana­

l i z o w a n y pi ec m a r t e n o w s k i o p a l an y jest g azem ziemnym z samokarb u ry za cj ą . Część ga z u p a l ne go k i e r o w a n a jest do p a l ni k a n i s k i e g o c iś n ie ni a i s p al a się p r z y n i e d o m i a r z e t lenu u l e ga ją c p r z y tym rozkładowi. P o z o s t a ł a c z ę ś ć gazu d o p ły wa do p a l n i k a w y s o k i e g o ciśnienia i po zm i es za ni u się z prodtak- tami sp al a ni a p a l n i k a n i s k i e g o ciśnienia spala się w komorze p ieca. Fa m — staje w i ę c w a ż n y p r o b l e m r o z d z i a ł u ga zu na p a l ni ki w y s o k i e g o i n i s k i e g o ci ś ni en ia i jego w p ł y w u n a p r z e b i e g p r o c e s u marten ow s ki eg o.

46 J. T o m e c z e k , J. iladziakiewlcz

Czas rewersji ma b ez p oś re dn i w pł yw na temperaturę po wi et r za d o st a r c z a ­ nego do spalania, a wię c i na szybkość z a chodzenia pr ocesów cieplnych. . Wpływ ten r ó w ni eż był badany.

I s t o tn y wp ły w n a p r z e b i e g p r o c e s u w y t a p i a n i a stali ma mas a i skład wsa­

du p r z y założeniu, że a n al i zo wa ne są jedynie w y t o p y o tym samym gatunku stali. G ł ó w ny m c zy nn i ki em jest tu rodzaj surówki oraz jej udział w cął- kowitej ma si e wsadu.

Dla znale zi en i a w p ł y w u tak w i e l u czynników na p r z e b i e g p r oc es u marte- no w sk ie go zastosowano s t a t y s t y c z n ą analizę m e t o d ą regr es j i w i e l o p a r a m e ­ trowej [4,53*

P rz ed m i o t e m ba da ń był pi ec o w yd aj n o ś c i nominal n ej 50 ton. C h ar ak te r y­

zował się on jedną komo rą r e ge n er at or a w związku z czym nie posiadał moż­

liwo śc i r e gulacji st os u nk u p o w i et r za pi e rw o t n e g o do wtórnego. Piec ła dowa­

n y b ył z łomem i s u r ó w ką w stanie stałym. P o dc z as pomiarów znajdował s i ę i on w n o r m a l n y m c yklu produkcyjnym, co og raniczało możliw bś ci zmiany pa ra ­ m etr ó w procesu. Z tego p o w o d u analiz ow a ne w y t o p y są tylko częściowo stero­

wa n e w celu zwięks ze n ia zak re su zmian parametrów.

S t a t ys ty c zn a a n a l i za dzi a ła ni a p i e c a m a r t e n o w s k i e g o . ..__________________ 47_

WYKAZ OZ NACZEN

a - w s p ó ł c z y n n i k w s z u k a n y m modelu,

c^ - ' z a w a r t o ś ć w ę g l a w kąpie l i w mom e nc ie ostatniej analizy, cr ’■ - zawartość w ę g l a w k ą p ie li po rozt op ie n iu ,

m g - . m a s a stali,

- m a s a surówki stałej,

sur 7

- m a s a wsadu,

n - ilość z m i e n n y c h n iezależnych,

‘ - c a ł k o w i t y s trumień ga zu d o p r o wa dz on e go do pi ec a w okresie i (i= 1

- okres ładowania, i= 2 - okres topnienia,- i=3 - okres w y r a b i a ­ nia) .

(-), - st os un e k s tr um i e n i a gazu w y s o k i e g o c i śn ienia do n i s ki eg o ciśnie- U i

n i a w okresie i, - zmienne niezależne,

A - s t o s u n e k n a d m i a r u powietrza,

% . - czas w y t o p u l i c z o n y od p o c z ą t k u ł a d o wa n ia do ostatniej analizy, T - czas rewersji.

48 J. Tomeczek. J. Nadziaki e wi cz

1. M e t o d a a n a li zy

Anal iz ą objęto w y t o p y przepr o wa dz on e w czasie 2 miesięcy. Wstępna se­

lekcja d a nych s p owodowała odrzucenie w y to p ów n i e t r a f i o n y c h bądź też p r z e ­ trzymanych ze wzg l ęd ów organizac y jn yc h. O s t at ec zn i e do anal i zy statystyea- nej zakwa li fi ko w an o 74 w y t o p y przepro w ad zo ne dla tego samego gatunku sta-

O prócz danyc h nor ma l ni e u m ie sz c z o n y c h n a k a r ta ch wytopów, dla ana li z o­

w a n y c h w y to pó w rejes t ro wa no sz ereg d od at ko w yc h wielk oś c i. W ten sposób do a n al iz y m o g ą być w y k or zy st a ne nast ęp uj ą ce w ielkości:

s trumień gazów w y s o k i e g o i n i s k ie go ciśnienia, s tosunek n a d m i a r u powietrza,

zawartość w ę g l a w kąpieli, czas rewersji,

m as a w s a d u i skład wsadu, m a s a otrzymanej stali, c zasy trwania etapów wytopu.

Podczas dokon y wa ni a ekspe ry me n tu tak prowa dz on o piec, a by uzys ka ć du­

ży zakres zmienności b a d a n yc h wielkości.

C a ł k ow i ty czas trwania w y t o p u p od z ie l o n o na trzy et ap y umowne: łado w a­

nie, r o ztapianie oraz w y r ab ia n ie . Dokładne u s ta lenie g r a ni cy po mi ęd zy ty­

mi etapami jest niemożliwe, nie jest to jednak konieczne dla celów niniej­

szej pracy. Wi el kości ul eg ające zmianie w czasie (np. strumienie gazów) b y ł y m ierzone przez cały czas wytopu, a do a n a l i z y w zi ęt o i ch uśrednione w a r t oś ci dla każdego etapu wytopu. W sumie dane o bę j mo wa ły 16 w ie l kości dla 74 w yt op ów . Po szukiwano z ależności w y d a j n o ś c i p ie c a m g (stosunek ma­

sy otrzymanej stali do c z as u trwania w y t o p u ) , od w y m i e n i o n y c h wi el ko ś ci oraz zależności całkowitego czasu w y t o p u od tych samyc h wielkości.

A n a l iz ę p r z e p ro wa dz o no m e t o d ą re g re sj i wi e lo pa rametrowej. Poszukiwane zależności nie m a j ą charak te ru liniowego. Przyjęto zatem model w postaci w i e l o m i a n u d rugiego stopnia:

M od el taki jest ła tw y do d op asowania do rze cz y wi st yc h przebiegów, umo ­ żliwia w ys tą p ie ni e lo k al ny ch ekstremów oraz może być s pr o wa dz on y do mo de ­ l u liniowego przez pot r ak to wa n ie kw ad r at ów jako z mi ennych n i ezależnych.

U pr as z cz a to znacznie analizę oraz um o żliwia zastosowanie p r o g ra m u b i b l i o ­ tecznego m a s z y n y ZAM-41 o pr ac owanego w P R OS YNCHEMIE w G l i w ic ac h [6].

N a j t r u d n i e j s z y m elementem a n a l i z y jest w ł a ś c i w y dobór zmi en ny c h n i e z a ­ leżn yc h x^. Post an o wi on o sprawdzić, c zy w p r ow adzenie n o w y c h zmiennych b ęd ąc yc h k o m b i n a c j ą k il ku x^ jest ko r zystne dla w y ni k ów analizy. Po­

s zukiwania szły w kier un ku jak n a j d o k ła dn ie j sz eg o o dw z orowania zależnoś- li.

i= 1

(

)

S ta ty styczna a n al iz a d zi a ła ni a p i ec a m a r t e n o w s k i e g o . .. 49

ci rz ec z y w i s t y c h (a w i ę c zg o dności z m i er zo ny c h i o b l ic zo ny c h w e d ł u g pro­

ponowa ne g o m o d e l u w i e l k o ś c i w y j ś c i o w y c h m s i T ). Począ tk o wo starano się to o s iągnąć d ro gą zwięk s ze ni a ilości zm ie n ny ch n i e z a l e ż n y c h p rz e z do­

danie n o w y c h ko mb i na cj i w i e l k o ś c i wejś ci ow yc h . Tą d r o g ą osiągnięto prawie

2 0 zm ie nnych n i e z a l e ż n y c h w c h o d z ą c y c h do ró wn an i a m o de l o w e g o p r z y w z r a s t a ­ jącej d ok ł ad no śc i o dwzorowania. J e d n a k w r a z ze w z r o s t e m ilości z mi ennych coraz t ru dniejsza stawała się i n t e r pr et ac j a fi zyczna o tr z ym a n c h z obli­

czeń zależności, a co za tym idzie w n io sk i s t a wa ły się mniej jednoznaczne. Z tego p o w o d u zdec yd ow an o się ogran ic zy ć ilość zmiennych n i e z a l e ż n y c h w m o d e l u tylko do t akich wielkości, na które m oż na wpły wa ć p r z y p r o w a d z e n i u w y t op u . W y e l i m i n o w a n o r ó w n i e ż w s z y st ki e w i e l k o ś c i w e j ­ ściowe, k t ór yc h p om i ar był m a ł o d o k ła dn y lub w a r un k i p r z e p r ow a dz en ia p o ­ m i a r u nie b y ł y dla k a ż de go w y t o p u takie same (np. cr ) . licz ba zmiennych n i e z a l e ż n y c h o g r an ic zy ł a się wię c do dziesięciu. Dokła d no ść m o d e l u n ie c o

zmalała ale jego i n t e rp re t ac ja f izyczna i w n i os k i są jednoznaczne.

P rz ed stawione r e z u l t a t y n u m e r y c z n e uz ys ka no dla m o d e l u (1), w który m jako zmienne ni e za l e ż n e przyjęto:

X 1 = V.j/3840, X 11 ~ X 1>

x 2 = V 2/3S40, _{X *12}

= x 2

9

x 3 = V 3/3840, x 13 = x 3 ,²

x 4 = °k / 1 * 5, X 14 = x 4 ’

x 5 '"sur^^s* X15 = x 5 ’

x 6 :■ T r . x 16 = x 6*

X? = (w/n)i, X 17

=

x 8 = (w/N)2 ,

x 18 = x8’

x 9 = (w/N)3 , x 19 = x g>

x 10 = % , 3/83700, x 2 0 = x1 0*

* 1 = m s/ l2 0 0 0, y 2 = T/ 1 0

R o z r z u t st a ty s t y c z n y wart oś c i z mi e nn yc h n i e z a l e ż n y c h do x 1Q prz y­

jętych do a n a l i z y p rz ed s t a w i a rys. 1. Na osi rz ęd n yc h p r z e ds ta w io no p r o ­ centowy ud ział w całości zmiennych o w a r t o ś c i a c h m i e s z c z ą c y c h się w zazna­

czon ym przedziale,

50 J. Tomeczek, J. N adziakiewlcz

k?30

•i.¿ 0

* 1 0

ai

tk

0.1

s o

* o

O l G 4 a s %

D = L

4 0

>?

30'

{ «

i j

» o

4 0

30

A / 0.3 *4 0.2 0 3

tk

3 0

K>

o £

L L l .

/ T X ę

dr

40\ r - i

30

44

r^i

tL 4.0 X# ^{w n}

Rys. 1. R o z r zu t s ta ty s t y c z n y w a r to śc i ajniennych n i e za l eż ny ch x1 do x 1Q

S ta ty s t y c z n a a n al iz a d z i a ł an i a pi ec a m a r t e n o w s k i e g o . ..

2. W y n i ki a n a l i z y

W w y n i k u o b l i cz e ń na m a s z y n i e cyfrowej Z AM 41 o tr z ymano w a r t o ś c i w s p ó ł ­ czynników dla zależno śc i m s i X jako funkcji p o d a n y c h u p r z e d n i o zm ie n ­ n y c h n i e z a l eż ny ch . P r o g r a m d o k o n a ł r ó wn ie ż p or ów n a n i a w a r t o ś c i z mi ennych m s i T z m i e r z o n y c h z w a r t o ś c i a m i o b liczonymi w e d ł u g p r o p o n o w a n y c h modeli.

R ó w n a n i a op is u ją ce w p ł y w r ó ż n y c h czynników na w yd a j n o ś ć p ie ca ,mg i czas trwania w y t o p u m a j ą p os ta ć w y r a ż e n i a (1):

m g = - 0,0935*, + 0,103*,, + 3,11* 2 - 3 , 0 5* ,2 + 0 , 1 3 0 x3 -

- 0

,

+ 0 , 4 2 6 x , 5 - 0 , 4 0 5 x6 - Q , 0 4 4 x , 6 - 0 , 0 6 7 x 7 -

- 0 , 0 0 9 7 x , 7 + 0',142x8 + 0 , 0 4 1 x, 8 - 0 , 5 2 8 x g +

♦ 0 , 2 1 8 x , g - 3 ,5 15x,q + 1 ,449x2 0 ,

T = - 2,39*, + 2,35*,, - 0 , 5 4 7* 2 + 0 , 4 9 1 x, 2 + 0 , 3 3 1 x3 -

- 0 , 2 7 1 x, 3 + 0,1 1 2x4 - 0 , 2 78 x, 4 + 1,S0x5 - 2,O O x, 5 *

+ 1,32x6 - 2 , 4 9 x, 6 + 0 , 1 9 * ? - 0 , 0 8 8 x , 7 + 0 , 3 0 3 x 8 -

- 0 , 184x,g + 0 , 1 6 4 x g - 0 , 0 6 3 x , g + 1 2 , 18 x, 0 - 5 ,92x2().

Os z ac o w a n i e p r z e c i ę t n e g o b ł ę d u p o m i a r u oblicza się n as tę p u j ą c o W :

s 2 " i T ^ ń Z T ^ (y i - n i ­

gdzie

m - l i cz b a pomiarów,

Y, - w a r t o ś c i zmierzone zmiennej zależnej,

Y^^ - w a r t o ś c i zmiennej z aTeżnej o bl iczone w g modelu.

Dla b a d a n e g o p r z y p a d k u m = 74 zaś n = 10.

O sz ac o w a n i e p r z e c i ę t n e g o b ł ę d u dokonane przez m a s z yn ę wynosi:

m o d e l m_ - S = 0,0645, O

m o d e l T - S = 0,0550.

U wz gl ę d n i a j ą c u n o r m o w a n i e w i e l k o ś c i i T otrzymuje się osza c ow an ie pr ze ­ ciętnego b ł ę d u w y d a j n o ś c i i c za su trwania w y t o p u A m g = 0 , 77 4 t/h A T =

= 0,55 h.

52 J. Tomeczek, J. Hadziaki e wi cz

Bys. 2. Z al eż n oś ć w yd a jn oś ci y^ pieca od Xg u d z i a ł u surówki we w s a dz ie i od m a s y w s a d u

*1

•a A

Sys. 3. Za le żność y 1 w y da jn o ś c i pieca od x 1 , x 2 , x ? średniego strumienia g az u w p o s z cz eg ól n yc h etapa ch wy t o p u

Bys. Zaleziij... w y r. m o ś c i y^ pieca od korcowej zawartości w ę g l a x^ w kąpieli;! od Xg czr "u ji

Statystyczna anali za dz ia ła n ia pieca m a r t e n o w s k l e g o . 53

Rys. 5. Zależność w y d a j n o ś c i y^ pieca od *g, Xg sto su n ku strumienia gazu w y s o k i e g o ci śn i en ia do strum ie ni a ga zu nis k ie go ci śn ie n ia w posz cz e­

g ó l n yc h e t a pa ch w y t o p u

P on ie w a ż p r ze c i ę t n a w a r t o ś ć w yd aj n o ś c i pieca w y n i o s ł a m g = 8 , 8 t / h ,zaś p r z e c i ę t n y czas trwania w y t o p u % = 7,63 h, zatem p r z e c i ę t n y błąd o b l i c z e ­ nia jest r ówny

dla m s - - 8,8$, dla T - - 1,22$.

Zważywszy, że błąd d a ny ch p o mi ar o w y c h z w y t o p u często przekracza i 5^

o tr zymane b ł ę d y n i e są duże.

Zależn oś ci w y d a j n o ś c i pi ec a od każdej zmiennej n ie za leżnej, przy po­

z os tałych z m i e n ny ch ustalonych, p r z e d s t a w i a j ą załączone w y k r e s y (Rys.2-5)- Na osi r z ę d n y c h od mi e rz on o w a r t o ś c i m g k aż do ra z ow o w tej samej skali.

Porówn uj ą c zmianę tej w i e l ko ś ci z Jej w a r t o ś c i ą ś r e dn ią (8,8t/h), m oż n a ocenić ilo śc io w o wp ły w poszczególnych czynników.

5 4 J. Tomeczek.J. Nadziaki ew i cz

• "'nioski

P rz ed s t a w i o n a ana l iz a zmierzała do u st alenia w p ł y w u szer e gu czynników r.i w y d a jn o ść p ieca m a r t e n ow s ki eg o i czas trwania wytopu.. Ró wnania r.ume- :yczne podane w rozdziale 3 p o z w a la ją zauważyć, że w p ł y w zmiennych n i e z a ­ leżny h na czas trwania w y t o p u i w y d a j n oś ć są zasadniczo przeciwne, co

„est zrozumiałe, po n ie w a ż w y d a j n o ś ć jest s t o su nk ie m m a s y uzyskanej stali i . za.M wytopu. Tłłąd określenia czasu w y t o p u jest niez na cz n ie mniejszy, n iż b-ąd określ en i a wy da jn o ś c i głównie na skute k d o da tk o wy ch niedokładnoś­

ci p rz y w y z n a c z a n i u m a s y stali.

Z a s a dn ic zy m celem p r a c y było ustalenie w ł a ś c i w e g o stosunku gazu wyso- kiega -isnienia do gazu n i s k i e g o ciśnienia (zmienne x^, Xg, x q J, gdyż oc niego zale ż y emisy jn os ć płomienia. Ob li cz e ni a w y k a za ły , że dla otrzymania m ak sy ma l ne j w y da jn o ś c i n a l e ż y stosować m a ł y stosunek (^) w okresie łado wa ­W nia oraz w y rabiania, zaś du ż y sto su ne k w okresie roztapiania. W ynik ten o tr zymano p r z y założeniu, że zmienne x.,, x 2 , są niezale żn e od z mien­

n y c h Xę, x^ i Xg co starano się zachować podcz a s eksperymentów.

S t o s un ek gazu w y s o k i e g o ciśnienia do ga zu nisk ie go ciśnienia wpływa, o prócz w p ł y w u na emisyjność, r ó w n i e ż na pęd strugi d o p ł y w a j ą c e j do komo­

r y uieca. K o l e j n y m etape m p r o b le mu powinno być zatem eksper ym en t al ne o- kreślenie z ależności e mi syjności pł o mi en ia od st o su n k u ( ^ ) .W

LITERATURA

1. L. K a ł m u c z a k i in. - Gosp. Pal. i Energią, n r 171, 196S, 6, zeszyt spe- jalny.

2. II.G. Ga br il e nk o - Stal, 8, 1968, 748.

3. H.A. Glinkow, W.A. Kr i wa ng in - Stal, 3, 1970, 748.

4. W . Vo lk - Statys ty k a stosowana dla inżynierów,Y/NT, Warszawa 1965.

5. St.Rataj - A r c h i wu m Hutnictwa, n r 3, 1972.

6. Instruk cj a e k s p l o a t a c y j n a p r o g r a m u E M E - 803, Frosynchem, Gliwice 1971.

7. F . O l s z a k i in. - Pr a ca i oblicz e ni a cieplne p i e c ó w mar tenowrskieh, Śląsk - K a t ow i ce 1764»

OT ATI. cTE 9EC rfHE AilAtfJ3 P A E 6 T U KART EHO 3C KŁ>«1 ilESK, 0TAÜJ3.AAE.E« ¡liEFPflbEw TASt;.- C 'JA-XiCtPELPAHHET'

P e 3 -o u e

3 C TaTte xttH aHaJiM3 Bzu aw «* ,r,< c a th napuue Tę c s a a pafioiy «tapreHoacKoß

«*•«, oTanattBaetfo# npMpoji.Hu« raso u. AerojioM MHjprbnapaüeTpoBoü p er peccKM Giipememrac 3.: u uhm e 3Ttot R ap a Me Tp cn na 0|)ctt3BQ4tRTeai>fiocTłi Jtewst, a taste

RpC J S O J litK T RJIb HC Ct b IIJiaBXM. PesymbTHTi: ■.BUPOJlHeHHŁEC o MCncSbSO-

Baatre« G3..ir npeacTaBJioHH ej b z a p ypaBHeHzfl z śwrpaiiH.

S ta ty styczna a n a l iz a d z i a ł an ia pieca m a r t e n o w s k i e g o . . 55

S TA TI S T I C A L AMA L YS IS OP AM O P E N - H E A R T H ‘FURNACE A C T I V I T Y H E A T E D B Y S E L F - C A R B U R I S E D N A T U R A L GAS

S u m m a r y

The influence of ten p a r a m e t e r s on the p e r fo rm a nc e of an o p e n- h ea rt h furnace he ated b y a e lf -c ar b ur is ed n a t u r a l gas has been anal ys ed in this paper. The m u l t i - d i m e n s i o n a l r e g r e s s i o n meth od ha s been applied to obtain the influence of these p ar am e t e r s on the yield and on the time of melt.

N u m e ri ca l resu lt s obtained b y comp ut er are p re s ented in the form of equa­

tions and graphs.