автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Исследование и оптимизация конструкции водоохлаждаемых элементов и технологии плавки в электродуговых печах

£

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ УКРАИНЫ ПРИАЗОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

НОСОВ Евгений Григорьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ ВОДООХЛАЖДАЕМЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ТЕХНОЛОГИИ ПЛАВКИ В ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ПЕЧАХ.

Специальность: 05.16.02 - "Металлургия черных металлов"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Мариуполь 1997г.

Диссертацией является рукопись

Работа выполнена на концерне "Азовмаш" и в Приазовском государственном техническом университете.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки Украины КАЗАЧКОВ Евгений Александрович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

СКРЕБЦОВ Александр Михайлович - кандидат технических наук ФЕДЮКИН Анатолий Александрович

Ведущее предприятие - Донецкий государственный технический

университет

Защита состоится " " июня 1997 г в 1322- на заседании специализированного ученого совета К. 14.01.03 при Приазовском государственном техническом университете по адресу: 341000, г.Мариупол! Донецкой обл., пер. Республики, 7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Приазовского государственного технического университета.

Автореферат разослан" 6 " май 1997г.

Ученый секретарь специализированного совета доктор технических наук, професор

аслов В.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ РАБОТЫ. Одним из основных способов повышения оизводительности агрегатов и снижения расхода огнеупоров является именение водоохлаждаемых элементов для футеровки печей.

Применение водоохлаждаемых стеновых панелей на электродуговых чах (ДСП) малой и средней емкости требует дополнительного расхода ектроэнергии для компенсации потерь тепла в рафинировочные периоды 1звки. Кроме того, опасность прожога водоохлаждаемых элементов взывает необходимость уменьшения массы садки, что влечет за собой 1ижение выхода годного и увеличение расхода графитированных 1ектродов.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. Целью работы является 1зработка и освоение рациональной конструкции водоохлаждаемых 1ементов стеновых панелей электродуговых печей и технологических ¡раметров плавки, обеспечивающих снижение затрат энергетических юурсов и повышение выхода годного при выплаве стали в ДСП малой и >едней емкости.

В связи с этим решались следующие задачи:

- исследования характеристик температурного поля в слое гарнисажа водоохлаждаемыми элементами различной конструкции от величины юпринимаемого теплового потока;

- разработка оптимальных конструктивных параметров >доохлаждаемых элементов стеновых панелей;

исследование влияния конструктивных параметров щоохлаждаемых элементов на технологические параметры плавки стали ДСП;

- изучение влияния технологических параметров плавки на процесс зсульфурации стали в ДСП с водоохлаждаемыми панелями;

- промышленное освоение рациональной конструкци1 водоохлаждаемых элементов и технологического режима плавки сталей е ДСП, обеспечивающих повышение производительности печей и выхо; годного;

- определение технико-экономической эффективности новы) конструкций водоохлаждаемых элементов стеновых панелей разработанного технологического режима рафинирования стали е электродуговых печах малой и средней емкости.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ. С помощью математическое моделирования определены температурные поля в слое гарнисажа 1 водохлаждаемых элементах различной конструкции стеновых панелей ДСП Установлено, что для водоохлаждаемых панелей из гладких труб < разреженной компоновкой неизбежно ограничение воспринимаемогс теплового потока как по условиям нагрева кожуха печи, так и по условия* стабильности слоя гарнисажа.

Получены зависимости эффективной теплопроводности оребренноп слоя от максимальной температуры вершины ребра, толщины гарнисажа I величины воспринимаемого теплового потока при различных параметра; оребрения. На основании вычислительного эксперимента установлено, чт< поперечное оребрение труб по сравнению с гладкими трубами позволяв увеличить допустимую тепловую перегрузку до 100 кВт/м2 в ДСП-25 полностью исключить пропускание тепла панелью при межосевои расстоянии, не превышающем в 2,15-2,20 раза диаметр труб.

Показано, что основным параметром, определяющим температур вершины ребра, является плотность оребрения, а необходимая высот! ребра определяется величиной воспринимаемого теплового потока I соизмерима с его шириной.

Численным решением дифференциального уравнени: теплопроводности с движущейся границей определена продолжительное!" переходного периода оплавления гарнисажа и определена величин.

эпустимой тепловой нагрузки на водоохлаждаемые элементы.

Сопоставлением равновесного и фактического коэффициента аспределения серы между металлом и шлаком для условий выплавки эзличных марок сталей в ДСП-25 концерна "Азовмаш" установлено, что эропоглотительная способность шлаков восстановительного периода спользуется далеко не в полной мере (в среднем на 47%).

С помощью физического моделирования процессов перемешивания еталла и шлака при наполнении ковша установлено влияние чдродинамических параметров выпуска металла на перераспределение еры между шлаком и металлом и определены рациональные параметры ыпуска плавки из печи в ковш. Показано, что разработанный способ орционного выпуска металла и шлака из дуговых печей средней емкости озволяет повысить степень десульфурации металла при наполнении эвша и сократить длительность восстановительного периода на 15-25%, асход электроэнергии на 10 кВт-ч/т, расход электродов на 2,5 кг/т стали, и асход периклазохромитового кирпича на 1,47 кг/т стали.

РЕАЛИЗАЦИЯ РАБОТЫ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ. Разработана, сследована и освоена в промышленном масштабе новая конструкция одоохлаждаемых стеновых панелей с поперечным оребрением труб.

Использование водоохлаждаемых стеновых панелей с оребренными рубами позволило увеличить срок эксплуатации панелей без ремонтов с 994 г. по настоящее время, снизить температуру кожуха печи до 60-70°С и отери тепла в окружающую среду с 10,7 до 7,5 кВт-ч/т стали.

Впервые разработана, освоена и внедрена технология рафинирования сидкой стали печным шлаком в процессе порционного выпуска металла из лектродуговых печей в ковш, позволяющая за счет повышения степени |Эфинирования стали, снизить продолжительность восстановительного ериода плавки на 24%.

Результаты работы реализованы в цехе № 5 стапькомплекса концерна

"Азовмаш".

Экономическая эффективносить применения оребренных водоохлаждаемых элементов и порционного выпуска стали из печей ДСП-25 обусловлена снижением затрат на выплавку стали. Фактический годовой экономический эффект составил 361,7 тыс.гривень/год (в ценах 1996 года).

АПРОБАЦИЯ И ПУБЛИКАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Материалы диссертации докладывались на Всесоюзной конференции "Моделирование физико-химических систем и технологических процессов в металлургии" в г.Новокузнецке, 1991 г., на Всосоюзной конференции "Тепло- и маслообменные процесы в ваннах сталеплавильных агрегатов" в г.Мариуполе, 1991 г., на I, II и III региональных конференциях в ПГТУ, 1992, 1993 и 1995 г.г., на семинаре "Электродуговые печи постоянного тока: Оборудование и плавка, УралЭлсталь - 93 в г.Ижевске, 1993 г. на технических совещаниях, проводимых на концерне "Азовмаш".

Основные результаты работы изложены в 14 публикациях.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, 5 глав, выводов, списка литературы из 159 наименований, 7 приложений и содержит 106 страниц машинописного текста, 40 рисунков и 18 таблиц.

ЛИЧНЫЙ ВКЛАД ДИССЕРТАНТА В РАЗРАБОТКУ НАУЧНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ, КОТОРЫЕ ВЫНОСЯТСЯ НА ЗАЩИТУ. Автором выполнен анализ конструктивных параметров водоохлаждаемых элементов на температурное поле в системе кожух печи - водоохлаждаемые элементы -гарнисаж, на технологические параметры плавки стали в электродуговых печах, исследованы тепловая работа водоохлаждаемых стеновых панелей дуговых сталеплавильных печей, гидродинамические параметры наполнения ковша при выпуске плавки и их влияние на процесс десульфурации стали печным шлаком. Разработанные конструкция водоохлаждаемых элементов

стеновых панелей и технология рафинирования металла печным шлаком, эсвоены и внедрены в сталькомплексе концерна "Азовмаш" с личным /частием автора. Автором подтверждено ожидаемое снижение тепловых потерь в окружающую среду при использовании оребренных панелей и повышение их эксплуатационной стойкости, а также возможность повышения производительности дуговых печей средней емкости и снижения /дельных расходов электроэнергии и графитированных электродов.

МЕТОДОЛОГИЯ, МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Методика проведения исследований включала математическое моделирование изучамых процессов, проведение эксперимента в лабораторных условиях и на промышленном оборудовании дуговых печей ДСП-25. Для численного решения задач и статистического анализа использовали ПЭВМ, специально разработанные программы и пакеты прикладных программ.Оценку термодинамических характеристик распределения серы между шлаком и металлом проводили с использованием концепции оптической основности шлаков, расчет активности компонентов шпака проводили по методике, эснованной на теории регулярных растворов В.А.Кожеурова. Химические анализы металла и шлака производили с использованием современных методов и оборудования. Лабораторные эксперименты выполнялись с применением физического моделирования процессов массопереноса, измерения концентрации растворов по электропроводности с помощью прибора-измерителя типа Е7. Температуру металла измеряли методом гермо-э.д.с. при помощи стандартных платинородий-платиновых термопар. Разность температур на входе и выходе охлаждаемых элементов измеряли 2 помощью батареи дифференциальных термопар. Температуру кожуха печи измеряли поверхностными термопарами в комплекте с переносным милливольтметром.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

1. Анализ направления развития и оптимизации водоохлаждаемых

элементов электродуговых печей и технологии выплавки стали.

Применение водоохлаждаемых элементов в стенах и своде печи позволяет снизить расход огнеупорных материалов на 50-75%, затраты ручного труда, повысить стойкость сводов до 3000 и более плавок, стеновых панелей до 7000 плавок. Однако, отмечается дополнительный расход воды, повышение расхода электроэнергии на 3-13% и опасность прожога элементов в рафинировочные периоды и во время выпуска плавки.

В настоящее время для стеновых панелей находят применение водоохлаждаемые элементы трубчатого типа с разреженной компоновкой труб. Трубчатая система охлаждения характеризуется высокой механическое прочностью, низкими стоимостью, трудоемкостью их изготовления и монтажа, высокой эксплуатационной стойкостью.

Неплотная укладка трубчатых элементов обеспечивает дополнительное снижение расхода металла на их изготовление и количестве сварных швов, но не устраняет опасность прожога элементов и приводит н увеличению теплопотерь в окружающую среду.

Для повышения надежности работы и эксплуатационной стойкости водоохлаждаемых элементов наиболее часто используют их ошипование что приводит к увеличению теплопроводности слоя гарнисажа и увеличеник его массы, удерживаемой на поверхности водоохлаждаемых элементов Однако, повышенный износ шипов связан с трудоемким ремонтом 1/ повышенными затратами. Имеются разработки по спиральному оребреник труб, однако для их изготовления требуется иметь пар| специализированного оборудования.

Применяемые методы проектных расчетов теплоизоляции пр1< наличии металлических вставок основываются на достаточно грубы)

допущениях и для надежного применения при расчете нестандартных конструкций требуют экспериментального исследования температурных полей.

Известные результаты математического моделирования тепловой работы водоохлаждаемых элементов не включают анализа температурного поля оребренных или ошипованных поверхностей и реально могут быть использованы лишь для оценки тепловых потерь с охлаждающей водой и температуры воды на выходе из элемента.

Анализ опыта эксплуатации электродуговых печей с водоох-паждаемыми элементами показал, что эффективность их применения зависит также от мощности печей и метода плавки. С уменьшением емкости дуговых печей и увеличением длительности технологических периодов замена кирпичной футеровки водоохлаждаемыми элементами приводит к повышению тепловых потерь, расхода электроэнергии и снижению степени цефосфорации и десульфурации стали.

Для печей малой и средней емкости перспективным направлением может также служить сокращение рафинировочных периодов плавки за счет оптимизации технологических параметров, что сдерживается отсутствием надежных данных о механизме физико-химических процессов распределения примесей и их связи с условиями и параметрами плавки.

2 Математическое моделирование и анализ температурного поля в слое гарнисажа.

С целью оптимизации конструктивных параметров водоохлаждаемых панелей с оребренными трубами и их компоновки в стенах дугвых печей, была разработана математическая модель теплообмена в теле плоской сребренной панели, единичной цилиндрической трубы в условиях симметричного обогрева, и трубчатой панели с разреженной компоновкой из гладких и оребренных труб.

Для плоской панели теплопередача в системе вода - водо-охлаждаемый элемент - гарнисаж описывается уравнением теплопроводности:

Я' йу]

(1)

Расчетная область, представленная на рисунке 1, выделяется плоскостями симметрии и включает половину ширины ребра и половину ширины межреберного промежутка. Поверхность, покрытая гарнисажем, считалась плоской, так как по ней стекает жидкий шлак.

Т = ТИ

Т = Тпл.

Расчетная область

Рис.1. Расчетная схема оребренной водоохлаждаемой панели.

Тпл - температура плавления гарнисажа;Тст - температура стенки кожуха панели;Тв- температура охлаждающей воды; Вр и Нр - ширина и высота ребра соответственно; Вп - межреберное расстояние; бкож и бг - толщина кожуха панели и слоя гарнисажа над вершиной ребра соответственно.

Интегрирование уравнения теплопроводности при соответствующих ■раничных условиях выполнялось до установления стационарного решения.

Особенностью теплопередачи в слое гарнисажа, пронизанного зебрами, является отвод значительного количества теплоты через ребра, ■iTO приводит к их прогреву до высокой температуры.

Для предотвращения преждевременного износа ребер параметры эребрения должны обеспечивать допустимый уровень температур в ^иболее теплонапряженной точке в области вершины ребра.

Как показал анализ полученных результатов, основным параметром,определяющим тепловую работу водоохлаждаемой панели, чвляется плотность оребрения ( fp), равная относительной площади проекции ребер на плоскость водоохлаждаемой панели. Увеличение плотности оребрения приводит к увеличению толщины удерживаемого слоя "арнисажа и снижению уровня температуры вершин ребер. Еще одним зажным фактором, влияющим на температуру ребер, является высота ¡зебра, уменьшение которой при постоянном воспринимаемом тепловом потоке приводит к снижению уровня температур. Зависимость толщины ;лоя гарнисажа над вершинами ребер и уровня температуры вершины ребра от величины воспринимаемого теплового потока приведены на рис.2.

мы

10

5

О

t,-c

BOO

eoo

4005СГ 100 150 ¡j7*Вр

Рис.2. Зависимость толщины гарнисажа (а) и температуры вершины

- 12-

ребра (б) от воспринимаемого теплового потока, q, - плотность теплового потока, кВт/м2; f - плотность оребрения, f = в в 7 м2/мг; tp- температура вершины ребра, °С

Как следует из данных, полученных расчетом с помощь« математической модели и представленных на рис.2, при средней тепловок нагрузке, характерной для дуговых печей средней емкости (100...15( кВт/м2) оптимальными параметрами для обеспечения надежного удержани! гарнисажа и допустимого уровня температур по условиям газовой коррозии является плотность оребрения, равная f = 0.5, и высота ребра, равная егс ширине h = В = 50мм.

При увеличении плотности оребрения свыше 0.5 и уменьшена высоты ребра снижается прочность сцепления гарнисажа с панелью.

Для оценки воспринимаемого теплового потока и количеств, пропускаемого через панель к кожуху печи количества теплоть использовалась математическая модель теплообмена в слое гарнисажа пронизанного трубами, охлаждаемыми водой. Расчетная облает! ограничивается поверхностью кожуха печи, поверхностью слоя гарнисажа а также адиабатическими плоскостями, являющимися плоскостям! симметрии.

В результате расчетов на модели установлено, что водоохлаждаема панель из гладких труб пропускает к поверхности кожуха значительно количество теплоты, причем доля теплоты, пропускаемой через панель кожуху, и его температура зависят от межтрубного расстояния. Пр больших тепловых нагрузках возможен и перегрев кожуха.

Оребрение труб позволяет значительно снизить долю теплоть пропускаемой к кожуху через водоохлаждаемую панель, при той ж величине воспринимаемого теплового потока и межтрубном расстояние что и для панели из гладких труб. Использование оребренных труб н

изменяет величины падающего потока (т.е. потерь тепла печным пространством), но позволяет перераспределить его внутри панели, в сторону отвода преимущественно с охлаждающей водой.

Для оценки времени переходных процессов в гарнисажной футеровке разработана упрощенная модель динамики оплавления гарнисажа с использованием уравнения локального теплового баланса.

Установлено, что скорость оплавления гарнисажа и его минимальная толщина в значительной степени зависят от тепловой нагрузки. При увеличении теплового потока в 2 раза минимальная толщина гарнисажа, соответствующая тепловому равновесию, уменьшается в 2 раза, а время оплавления в 2.0-2.5 раза, что свидетельствует о низкой тепловой инерции водоохлаждаемых панелей и преимущественном теплоотводе с охлаждающей водой и через кожух печи.

3. Разработка и внедрение водоохлаждаемых панелей

рациональной конструкции.

На основании анализа эксплуатации стеновых панелей из гладких труб с разреженной компоновкой и математического моделирования теплопередачи в теле стеновых панелей различной конструкции разработана новая конструкция водоохлаждаемых панелей из стальных труб диаметром 76 мм и толщиной стенки 16 мм с поперечными ребрами высотой и шириной, равными 50 мм.

Панели новой конструкции установлены на печах ДСП-25 и находятся в эксплуатации с 1994 года на концерне "Азовмаш". В процессе эксплуатации проводились параллельные исследования работы печей одинаковой емкости со стеновыми панелями новой конструкции с оребренными трубами и панелями из гладких труб.

Как показал анализ работы электросталеплавильного цеха концерна "Азовмаш", после установки водоохлаждаемых панелей из гладких труб

удельный расход электроэнергии возрос на 15 кВт-ч/т (до установки, ( кирпичными стенами - 786 кВт-ч/т, после установки - 801 кВт-ч/т).

Оценку потерь тепла с охлаждающей вс^цой и с поверхности кожухг производили на основании результатов измерения температур воды не входе и выходе из водоохлаждаемых элементов и поверхности кожухг соответственно в течение каждой плавки опытно-промышленной серии Результаты экспериментов обрабатывали по специальной методике.

Как показало сравнение результатов расчета тепловых потерь дл$ двух групп опытных плавок, на печи со стеновыми панелями из оребренны; труб для всех периодов плавки средняя температура кожуха и следовательно, потери тепла в окружающую среду заметно ниже, причеи различие является статистически значимым. Для печи со стеновымь панелями изоребренных труб среднее по 20 плавкам значение удельны: тепловых потерь 7.5 кВт»ч/т, а для печи со стеновыми панелями из гладки: труб - 10.7 кВт» ч/т.

Сравнение разности температур охлаждающей воды для дву: групп опытных плавок показало, что для периодов заправки, завалки i плавления различие не существенно и статистически незначимо. Дл! окислительного и восстановительного периодов прирост температурь охлаждающей воды выше(а, следовательно, при одинаковом расходе водь выше и тепловые потери) на печи со стеновыми панелями из гладких труб но оценка статистической значимости близка к предельной. Удельньк тепловые потери с охлаждающей водой по плавке в целом для печи с< стеновыми панелями из оребренных труб заметно ниже, чем для печи i панелями из гладких труб (среднее по 20 плавкам значение 116.1 кВт-ч/ против 122.8 кВт-ч/т). Снижение тепловых потерь с охлаждающей водо1 помимо различия в конструкции панелей следует связать со снижение» длительности восстановительного периода (среднее значение - 59 мин для серии плавок на печи с панелями из оребренных труб и 72 мин. на печ| с панелями из гладких труб), обусловленным совершенствование!

технологии десульфации (см.гл.4), внедренной одновременно с новой конструкцией стеновых панелей.

Что касается эксплуатационной надежности панелей соребренными трубами, то она оказалась достаточно высокой. За время эксплуатации печей со стеновыми панелями из гладких и оребренных труб выхода из строя последних не отмечено, хотя в этот же период панели с гладкими трубами выходили из строя дважды.

4. Разработка и внедрение оптимального технологического режима

плавки стали в дуговых печах средней емкости.

При разработке рациональной технологии рафинирования металла сопоставляли значения фактических коэффициентов распределения серы между шлаком и металлом на контролируемых плавках стали 09Г2С в ДСП-25 с расчетными, полученными с использованием концепции оптической основности:

р , Р„ (Б) 21920 ~ 54 640 Л , , ч

^ Чр) = с9 =-т-*45,бЛ-23,9-едаГо]7 (2)

где Ьэ (Р) - равновесный коэффициент распределения серы между. шлаком и металлом, Л - оптическая оснтовность шлака, О[0]-активность кислорода в металле. В результате выполненных исследований установлено, что средняя величина фактического коэффициента распределения серы примерно в 2 раза ниже средней величины равновесного для тех же составов шлаков. Низкая степень использования десульфурирующей способности шлаков восстановительного периода (в среднем 47%) связана с кинетическим торможением процесса и обуславливает увеличение продолжительности восстановительного периода плавки и расхода электроэнергии.

Исследование кинетических особенностей десульфурации проводили

с использованием физического моделирования процесса массопереноса серы из металла в шлак при выпуске плавки из печи в ковш. Критерик-подобия процесса: Рейнольдса (Ре), гомохронности (Но), диффузионный критерий Стэнтона (Б^) и "модифицированный" критерий Фруда ( определяли на основании И -теоремы. Параметры моделируемого процесс« оценивали по критериям Фруда и гомохронности, предварительно установиЕ с помощью постановочных опытов автомодельную область изменения критерия Рейнольдса и "модифицированного" критерия Фруда Эксперименты проводили на прозрачной модели, изготовленной в масштабе

Жидкую сталь моделировали водой, шлак - минеральным маслом с вязкостью 33x10-6 мг/с при 20 °С. В качестве индикатора использовала бензойную кислоту, которую предварительно растворяли в воде дс концентрации 0.006 кг/м3. Слой масла наносили на поверхность воды е модели печи и затем выпускали масло и воду в модель ковша пс исследуемым режимам.

В процессе наполнения ковша бензойная кислота переходила и; водного раствора в масло и ее концентрацию определяли пс электропроводности раствора с помощью цифрового прибора-измерителя типа Е7.

Для определения зависимости коэффициента скорости массопереноса от гидродинамических параметров перемешивания металла V шлака в ковше и печи в процессе выпуска плавки использовали систему уравнений:

1:10.

й Св £ ? ССТ " Ув

• (Св - Се);

(з)

Ы

и уравнение баланса массы:

V« + С,

ум = т

(5)

с

в

где Св м см-кониентрация индикатора в водном расстворе и в масле соответственно; С^иСм- равновесные концентрации индикатора в воде и в масле соответственно, £ - коэффициент массопереноса; ¥ -поверхность раздела фаз;\/виУм- объем водного раствора и масла; ь - коэффициент распределения индикатора между маслом и водой; т - масса индикатора в системе вода-масло.

Величину константы скорости массопереноса индикатора находили по экспериментальным данным изменения концентрации раствора по ходу выпуска. Выпуск моделирующих жидкостей из печи в ковш производили по двум вариантам:

1) соответственно принятой в цехе технологии: сначала шлак, а затем металл с остатками шлака;

2) по опытной технологии: сначала шлак, а затем металл со шлаком порциями в три приема.

В результате обработки экспериментальных данных по разработанной методике установлено, что в начальный период за счет интенсивного перемешивания несмешивающихся жидкостей бензойная кислота интенсивно переходит из водной фазы в масло, а после наполнения 30% объема ковша интенсивность распределения индикатора между контактирующими фазами заметно снижается Причем более резкое снижение перехода индикатора в масло происходит при сливе по обычной технологии непрерывной струей. При сливе жидкостей порциями изменяется характер перемешивания контактирующих фаз. После заливки первой порции при подъеме модели печи происходит дополнительное перемешивание фаз в ванне печи, в это же время масло покрывает поверхность воды в ковше. Последующая (вторая) порция

воды попадает раздробленной струей на поверхность масла в ковше, дробя и увлекая капли масла в объем водного слоя, в результатет чего увеличивается межфазная поверхность. Затем этот процесс повторяется. Найденные величины объемных коэффициентов массопереноса показали, что при сливе металла непрерывной струей коэффициент массопереноса индикатора между несмешивающимися жидкостями имеет максимальное значение ЗхЮ3 С"' в начале выпуска, а после слива 30% от всей массы плавки резко уменьшается до 0.3x103 С"1 . При сливе металла в ковш тремя порциями коэффициент массопереноса по ходу наполнения ковша уменьшается менее интенсивно и составляет в процессе слива второй порции (еще 35% от массы плавки) 0.75x10-3 С'1 и последней порции -0.4x10 3 С"1, что в целом увеличивает скорость массопереноса индикатора из воды в масло на 15%.

Испытания порционного выпуска стали марки 09Г2С из печи типа ДСП-25 показали, что степень отклонения величины фактических коэффициентов распределения серы между шлаком и металлом от равновесных в среднем при этом варианте оказалась почти на 30% ниже, чем при непрерывном, и соответственно в большей степени реализовалась серопоглатительная способность печного шлака.

Внедрение порционного выпуска металла из печи в ковш позволило сократить продолжительность восстановительного периода на 16 мин. и расход электроэнергии на 10 кВт-ч/т стали.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. Разработана математическая модель температурного поля в слое гарнисажа для оребренных плоских и трубчатых стеновых водоохлаждаемых элементов ДСП. С применением ЭВМ решено уравнение теплопроводности методом конечных разностей по чисто неявной разностной схеме, описывающее систему: вода-водоохлаждаемый элемент-гарнисаж-теплоотдающая среда. Получены зависимости теплопроводности

>ребренного слоя от параметров оребрения; максимальной температуры юршины ребра и толщины гарнисажа от величины воспринимаемого ■еплового потока при различных параметрах оребрения.

2. На основании вычислительного эксперимента проанализировано ^определение температуры и тепловых потоков в панелях с гладкими и »ребренными трубами. Установлено, что для водоохлаждаемых панелей с >азреженными гладкими трубами неизбежно ограничение вомпринимаемого еплового потока как по условиям нагрева кожуха, так и по условиям табильности слоя гарнисажа. Показано, что поперечное оребрение труб юзволяет практически полностью исключить пропускание тепла панелью |ри межосевом расстоянии, не превышающем на 15-20% величину, равную 'двоенному диаметру труб.

3. Установлено, что основным параметром, определяющим емпературу вершины ребра, является плотность оребрения, а необходимая ¡ысота ребра определяется величиной воспринимаемого теплового потока.

При тепловой нагрузке до 100 кВт/м2, характерной для печей средней гмкости, и использовании ребер прямоугольного сечения из углеродистой ггали на плоской или цилиндрической поверхности, приемлемая по 'словиям газовой коррозии и механической прочности температура вершины >ебра обеспечивается при плотности оребрения не менее 50%. Оптимальные значения ширины ребра и расстояния между ребрами для -руб диаметром 76 мм находятся в пределах 30...50 мм, при высоте ребра, >авной его ширине.

4. Приближенное решение уравнения теплопроводности с движущейся границей при условии локального теплового баланса позволило определить продолжительность переходного процесса, сопровождающегося зплавлением гарнисажа при повышении тепловой нагрузки на юдоохлаждаемую панель.

5. На основании анализа результатов эксплуатации стеновых панелей : гладкостенными трубами установлено, что их применение потребовало

уменьшения массы плавки от 32,6 до 27,8 т, неоднократной замены труб из-за прожогов, механических повреждений и образования трещин. Отмечается повышение температуры кожуха до 130-160°С, увеличение потерь тепла в окружающую среду, а также повышение расхода электроэнергии и графитированных электродов.

6. Разработана и внедрена новая конструкция стеновых панелей с оребренными трубами, применение которой обеспечило длительную эксплуатацию панелей без ремонта в течение двух лет (стойкость более 3000 плавок), возможность регулирования массы плавок от 28 до 38 т, в соответсвии с заказом потребителей, повышение выхода годной стали и возможность использовать более эффективную технологию порционного выпуска металла из печи для более глубокой десульфурации металла.

7. На основании термодинамических расчетов равновесных характеристик распределения серы между металлом и шлаком и анализа фактических значений коффициентов распределения серы между металлом и шлаком в процессе восстановительного периода и выпуска плавок текущего производства показано, что система металл-шлак в этих условия> не находится в равновесии по сере и серопоглотительная способность печного шлака используется далеко не в полной мере (в среднем на 47%).

8. Для повышения степени рафинирования металла печным шлаком с помощью модельных экспериментов разработан способ порционного выпуска металла и шлака из печи в ковш, при котором увеличивается эффективность перемешивания металла со шлаком и коэффициент массопереноса серы, что обеспечило приближение системы к равновесию по сере, позволило снизить продолжительность восстановительногс периода на 24% и при внедрении панелей из оребренных труб удельный расход электроэнергии на 10 кВт-ч/т стали.

9. Экономический эффект от внедрения стеновых панелей с оребренными водоохлаждаемыми трубами и порционного выпуска плавм из печи на концерне "Азовмаш" составил 361710 гривень/год.

Основное содержание диссертации изложено в следующих убликациях:

. Гинкул С.И., Носов Е.Г., Тищенко П.И. Математическое моделирование температурного поля гарнисажа охлаждающего ограждения// Тезисы докладов Всесоюзного совещания: Моделирование физико-химических систем и технологических процессов в металлургии. - Новокузнецк. -1991. - с.56.

!. Гинкул С.И., Носов Е.Г., Тищенко П.И. Математическое моделирование теплообмена водоохлаждаемой стенки дуговой печи /Тепло-и массообменные процессы в ваннах сталеплавильных агрегатов. - Мариуполь, 1991. - с.70 i. Носов Е.Г., Гревцова М.В., Буров С.Ю. Влияние водоохлаждаемых элементов стен печей ДСП-25 на технологические параметры электроплавки // Тез. доклада I per. научно-техн. конф,- T.I.- Металлургия, Мариуполь. -1992 - с.41. \. Носов Е.Г., Симоненко В.И., Тищенко П.И. Разработка способа изоляции тепловоспринимающей поверхности охлаждаемых элементов дуговых печей / Материалы семинара: Электродуговые печи постоянного тока: оборудование и плавка. Ижевск, 24-28 мая, 1993 -M:l 993.-с. 101-102. 5. Носов Е.Г. Особенности десульфурации стали в электропечах с водоох-лаждаемыми элементами // Тез. докл. 3-ей регион, научно-техн. конф. -ТА. - 4.2,- Мариуполь -1995. -с. 60 5. Носов Е.Г., Остроушко A.B. Исследование влияния технологических параметров на десульфурацию электростали // Тез. докл. 3-ей регион, научно-техн. конф. -Т.4.-4.2. - Мариуполь, 1995 -с.61. f. Математическое моделирование теплопередачи в водоохлаждаемых стеновых панелях дуговых сталеплавильных печей/Носов Е.Г., Казачков Е.А., Остроушко A.B., Чичкарев Е.А.Приаз. гос. техн. ун-т - Мариуполь,1996. -11с:ил.Библиог. 6 назв.-рус Деп. в ГНТБ 29.01.97. №102 УК.97

8. Исследование тепловой работы водоохлаждаемых стеновых панелеь дуговых сталеплавильных печей. / Носов Е.Г., Казачков Е.А.,Чичкарев Е.А. ОстроушкоА.В. //Приаз. гос.техн. ун-т.-Мариуполь,1996.-5с:ил.Библиог 2 назв.-рус Дел. в ГНТБ 29.01.97. №101 УК.97

9. Исследование влияния гидродинамических параметров наполнения ковшг при выпуске плавки на процесс десульфурации стали печным шлаком / Е.Г.Носов, Е.А.Казачков, А. В. Остроушко, Е.А.Чичкарев. Приаз. гос. техн ун-т. Мариуполь, 1996. 10с.:ил. библиограф. 7 назв.- рус,-Деп. в ГНТБ. 14.01.97.-№79-УК.97.

10. Носов Е.Г.Опыт эксплуатации дуговых сталеплавильных печей средне! емкости с водоохлаждаемыми стеновыми элементами.// В сб. "Вестни! Приазовского гостехуниверситета" № 2, Мариуполь: ПГТУ, 1996, с. 43-44

11. Анализ условий теплопередачи в водоохлаждаемых стеновых панеля: дуговых сталеплавильных печей/ Носов Е.Г., Казачков Е.А, Остроушко A.B. Чичкарев Е.А.// В сб. "Вестник Приазовского гостехуниверситета" № 2 Мариуполь: ПГТУ, 1996, с. 45-47.

12. Носов Е.Г., Казачков Е.А., Остроушко A.B. Исследование и оптимизацш процесса десульфурации электростали печным шлаком в ковше / "Приднтровський науковий вюник", 1997, № 15, с. 1-3.

АННОТАЦИЯ Носов Е.Г Исследование и оптимизация конструкции водоохлаждаемы: элементов и технологии плавки в электродуговых печах.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технически: наук по специальности 05.16.02 - металлургия черных металлов Приазовский государственный технический университет, концерн "Азовмаш" г.Мариуполь, 1997 г.

Защищается научная работа, которая включает результать теоретических и экспериментальных исследований процесса теплопереносг

системе водоохлаждаемый элемент - гарнисаж-рабочее пространство ДСП процесса десульфурации стали в ДСП с водоохлаждаемыми элементами, азработана конструкция стеновых водоохлаждаемых элементов с эебренными трубами, обеспечивающая значительное повышение их ■ойкости. Осуществлено промышленное внедрение новой конструкции эдоохлаждаемых элементов стеновых панелей и технологии рафинирования -али печным шлаком, предусматривающей порционный выпуск металла и лака из печи, приводятся данные об эффективности разработок, пючевые слова: теплоперенос, водоохлаждаемый элемент, гарнисаж, оребренные трубы, десульфурация, печной шлак, порционный выпуск.

ABSTRACT

E.G.NOSOV: Investigation and optimization of construction of water-:oled elements and steelmaking technology in the electric arc furnaces.

This is a thesis submitted for a Candidate of Technical Sciences by spe-alization 05.16.02 "Ferrous metallurgy", Priazovskij State Technical Univer-ty, Azovmash Concern, Mariupol, 1997.

A scientific work shall be defended including theoretical and experimen-[| investigations of heat transfer process in the system of water-cooled ele-lents - slag lining - working space of the electric arc furnace and of steel ssulphurization process in the electric arc furnace with water-cooled ele-lents. A construction of wall water-cooled elements with finned tubes proding a significant improvement of their strength has been developed.

The new construction of water-cooled elements of the wall panels and eel refining technology with furnace slag providing the portion steel and slag pping out of furnace have been realized. Data of efficiency is listed herewith.

Key words: heat transfer, water-cooled element, slag lining, finned tubes, desulphurization, furnace slag, portion tapping.