автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Исследование процессов нагрева и плавления окатышей в ванне дуговой печи с целью повышения энергоэффективности электроплавки стали

На правах рукописи

Черменев Евгений Александрович

Исследование процессов нагрева и плавления окатышей в ванне дуговой печи с целью повышения энергоэффективности электроплавки стали

05.16.02 - «Металлургия черных, цветных и редких металлов»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

31 ИЮЛ 2014 005550947

Москва-2014

005550947

Работа выполнена на кафедрах «Металлургия и металловедение» Старооскольского технологического института (филиала) и «Металлургия стали и ферросплавов» Национального исследовательского технологического университета «МИСиС».

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, ФГБОУ ВПО «Московский государственный

машиностроительный университет

(МАМИ)»,

профессор

кандидат технических наук, ЗАО «Союзтеплострой Инжиниринг», заместитель директора по проектированию и науке

Меркер Эдуард Эдгарович

Еланский Геннадий Николаевич

Ибадуллаев Тимур Бахтиярович

Ведущая организация

ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина»

Защита состоится «23» октября 2014 года в 10:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.132.02 при Национальном исследовательском технологическом университете «МИСиС» по адресу: 119049, Москва, Ленинский проспект, д. 6, ауд. А-305.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Национального исследовательского технологического университета «МИСиС» - http://misis.ru.

Отзывы на автореферат диссертации (в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения) просьба направлять по адресу: 119049, г. Москва, Ленинский проспект, д. 4, Ученый Совет. Копии отзывов можно прислать на e-mail: cvg. chcmenevffigmail.com.

Автореферат разослан « ZZ-» июля 2014 года.

Ученый секретарь /

диссертационного совета, ■•>' >*

кандидат технических наук, доцент ¿/ А. В. Колтыгш

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Для современного развития электросталеплавильного производства с применением технологии переплавки железорудных металлизованных окатышей (ЖМО) в дуговых печах важным остаются проблемы достижения высоких технико-экономических показателей, повышения качества металлопродукции и снижения энергоемкости производства.

Одним из перспективных направлений производства электростали в дуговых сталеплавильных печах (ДСП) является применение непрерывной подачи ЖМО в ванну агрегата через осевые отверстия электродов в пространство высокотемпературных электрических дуг и на поверхность расплава под их воздействием, что является существенным отличием от типовой технологии электроплавки стали. В этой связи представляется актуальным и целесообразным изучить закономерности совместного протекания процессов нагрева и плавления окатышей в сложной многофазной системе дуга-шлак-металл, проанализировать физико-химические и тепло-массообменные особенности плавления потока ЖМО в шлако-металлической ванне печи, разработать математическую модель и алгоритм оптимального управления параметрами хода электроплавки стали.

Цель работы: разработка теоретических основ и обоснование эффективности технологии электроплавки стали на основе применения непрерывной подачи металлизованных окатышей через осевые отверстия электродов в подэлектродное пространство ванны дуговой печи.

Основные задачи:

1. Выполнить экспериментальные исследования на горячей модели с анализом теплообмена в системе дуга-расплав, процессов нагрева и плавления ЖМО в ванне печи при их подаче через осевое отверстие электрода.

2. Изучить процессы распределения и усвоения тепла в системе дуга-расплав, окисления углерода металла, нагрева и плавления ЖМО в условиях их подачи в подэлектродное пространство ванны дуговой печи.

3. Разработать математические модели теплового состояния шлако-металлической ванны ДСП, процесса обезуглероживания при подаче ЖМО и использовании ТКГ, а также нагрева и плавления окатыша в агрегате.

4. Выполнить, используя полученные математические модели, расчет теплового состояния и внешнего теплообмена, анализ распределения температур в объеме шлако-металлической ванны и оценку угара железа с поверхностей менисков и параметров режима плавления окатыша, при различных условиях его подачи в ванну дуговой печи.

5. Исследовать процессы электроплавки стали при подаче ЖМО в подэлектродное пространство ванны 150 т дуговой печи для осуществления оптимального управления параметрами температурно-шлакового и энергетического режимов с обеспечением энергоэффективности и ресурсосбережения.

Научная новизна:

1. Показано, что подача металлизованного сырья через осевые отверстия электродов существенно ускоряет процессы нагрева и плавления потока окатышей, при этом трубчатые (полые) электроды используются в качестве элементов оборудования дуговой печи для непрерывной загрузки сыпучих материалов в объем электрических дуг и зону высокотемпературного шлако-металлического расплава, которая отвечает требованиям интенсификации процессов плавки, при этом энергетически положительная роль электродов заключается в том, что дуги, образующиеся на выходе из отверстий в их торцах, становятся массивнее, занимают вертикальное положение и их мощность повышается, что способствует увеличению удельной скорости нагрева расплава ванны в подэлектродном пространстве агрегата.

2. Уточнены закономерности по кинетике и механизму нагрева и плавления металлизованных окатышей при их подаче на шлак и перегретый металл с образованием соответственно шлаковой и металлической корочки, теплоемкость последней в 2-3 раза ниже и это обстоятельство способствует существенному ускорению режима их плавления в подэлектродном пространстве ванны печи на поверхностях менисков жидкого металла, причем оптимальный ход технологического процесса плавления потока сырья осуществляется в соответствии с данными, полученными по расчету температурных полей расплава и использованием разработанной математической модели теплового состояния ванны печи.

3. Предложена комплексная математическая модель, включающая описание теплового состояния шлако-металлической ванны, процесс обезуглероживания металла, нагрев и плавление окатышей, загружаемых в печь, позволяющая определять энерготехнологические показатели работы агрегата и управлять режимом плавки. При этом установлена положительная роль регулируемой подачи материалов в подэлектродное пространство печи, что обеспечивает энергосбережение, повышение производительности агрегата и увеличение выхода годного металла.

Практическая значимость и реализация работы

Полученные в работе научные результаты по распределению тепловых потоков в шлако-металлической ванне, режиму обезуглероживания при непрерывной подаче окатышей, а также механизму и кинетике их плавления использованы для разработки оптимальных температурно-шлакового и энергетического режимов плавки стали, позволяющих существенно снизить энергоемкость и пылевыделение из ванны, повысить энергетический КПД, производительность и выход годной жидкой стали.

Обоснован энергосберегающий режим переплавки ЖМО в 150 т ДСП для условий ОАО «ОЭМК», при непрерывной их подаче через осевые отверстия электродов в подэлектродное пространство ванны, позволяющий существенно снизить угар металла и повысить энергоэффективность электроплавки стали.

Разработан новый способ подачи и предложено устройство для регулируемой загрузки ЖМО, извести и других сыпучих материалов в подэлектродное пространство дуговой печи, в том числе и под давлением газовых смесей, позволяющие реализовать предложенные в работе научно-технические решения по повышению эффективности электроплавки стали.

Разработан алгоритм и программа расчета основных показателей энерготехнологического режима электроплавки ЖМО на основе учета данных их непрерывной загрузки, параметров теплового состояния ванны, процессов нагрева и обезуглероживания металла в условиях применения ТКГ при подаче окатышей, как в подэлектродное, так и в межэлектродное пространство, что позволяет осуществлять контроль параметров процесса плавки стали в дуговой печи, для соблюдения рекомендуемой рациональной технологии электроплавки стали, и тем самым обеспечить повышение технико-экономических и энерготехнологических показателей производства.

Установлено, что для условий 150 т ДСП при способе загрузки окатышей через осевые отверстия электродов удельный расход электроэнергии снижается от 3 до 5 %, производительность печи возрастает до 10%, время плавки под током уменьшается на 10-14%, а выход годного увеличивается на 1,2%.

Методы исследования: При выполнении работы использовались методы математического моделирования и усовершенствованные методы расчета и анализа лабораторных экспериментов.

Достоверность результатов работы

Достоверность подтверждается: опытными данными, полученными в лабораторных условиях, с применением компьютерной обработки; достаточной сходимостью лабораторных экспериментов (расхождение менее 10%) с литературными и производственными данными; адекватностью математических моделей.

Текст диссертации и автореферата проверен на отсутствие плагиата с помощью программы «Антиплагиат» (http://antiplagiat.ru).

Апробация результатов работы

Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на 3-й всероссийской научно-практической конференции «Моделирование, программное обеспечение и наукоемкие технологии в металлургии» (г. Новокузнецк, 2011г.); 7-й региональной научно-практической конференции «Дни науки СТИ НИТУ МИСиС» (г. Старый Оскол, 2011г.); 8-й международной научно-технической конференции «Современная металлургия начала нового тысячелетия» (г. Липецк, 2011г.); всероссийской научно-практической конференции «Образование, наука, производство и управление» (г. Старый Оскол, 2011г.); 8-й всероссийской научно-практической конференции (г. Старый Оскол, 2012г.); VI международной научно-практической конференции «Энергосберегающие технологии в промышленности. Печные агрегаты. Экология» (г. Москва, НИТУ МИСиС, 2012г.).

Публикации. По наиболее важным материалам диссертационной работы имеется 19 публикаций в центральных и региональных изданиях, в том числе 6 статей в цитируемых журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 119 наименований и приложений, содержащих 155 страниц печатного текста, 103 иллюстрации и 21 таблицу.

На защиту выносятся:

результаты экспериментальных исследований по изучению теплообмена электрических дуг и процессов нагрева и плавления ЖМО при их подаче через осевое отверстие электрода;

- теоретические положения по распределению и усвоению тепла в системе электрическая дуга-расплав, процессам теплоусвоения, нагрева, обезуглероживания расплава и их оптимальному соотношению, нагреву и плавлению ЖМО, в условиях подачи окатышей через осевые отверстия электродов в подэлектродное пространство ванны дуговой печи;

- методики расчетов теплового состояния ванны ДСП с учетом способа подачи окатышей, параметров режима обезуглероживания при непрерывной подаче ЖМО и использовании ТКГ, нагрева и плавления окатыша в условиях влияния излучения электрической дуги;

- результаты расчетов теплового состояния ванны и плавления окатыша в системе дуга-шлак-металл и анализ теплообмена при подаче ЖМО в подэлектродное пространство дуговой печи;

- энергосберегающий режим переплавки ЖМО в 150 т ДСП на основе учета в математической модели управления плавкой кинетики процессов обезуглероживания, нагрева металла и плавления окатышей, и разработка оптимальной технологии электроплавки стали путем синхронизации режимов обезуглероживания, плавления и загрузки окатышей в ванну дуговой печи.

Содержание работы

Во введении показана актуальность нового научно-технического направления развития технологии электроплавки стали в дуговых печах с применением металлизованного сырья и ТКГ. Существенный интерес к данной проблеме подтверждается исследованиями зарубежных и отечественных авторов работ и наличием патентов на изобретения.

Отмечена и обоснована перспективность проблемы и показаны пути совершенствования технологии электроплавки стали на основе интенсификации процессов нагрева и плавления окатышей при создании системы их загрузки в пространство под электродами печи, где электрические дуги оказывают воздействие на шлаковый и металлический расплав. Определен комплекс необходимых экспериментов для выполнения научно-технических решений, сформированы актуальные предпосылки и задачи исследования.

В первой главе «Состояние вопроса, задачи и методика исследования» дается развернутая характеристика особенностей процессов электроплавки металлизованных окатышей в ванне дуговой печи, в частности на примере 150 т печей

ОАО «ОЭМК», и других зарубежных и отечественных агрегатов. В целях разработки энергосберегающих условий электроплавки стали требуется проведение исследований по углубленному изучению закономерностей нагрева, плавления и обезуглероживания окатышей в расплаве с учетом применения нового метода подачи ЖМО через осевые отверстия электродов в высокотемпературную зону электрических дуг на ванне печи (рис. 1). Схема подачи ЖМО в ванну ДСП в подэлектродное пространство, в зону влияния электрических дуг, существенно отличается от существующей схемы подачи в межэлектродное пространство, т.е. вне их влияния. Так принципиальным является более рассредоточенная подача потока ЖМО по осевым отверстиям в трех электродах и поступление металлизованного сырья вне шлака в электрические дуги с дополнительным нагревом в них и последующим плавлением в высокотемпературном шлако-металлическом расплаве подэлектродного пространства дуговой печи.

Результаты обработки опытных данных работы 150 т дуговой печи и эксперименты показали, что существенным резервом по снижению энергозатрат и повышению эффективности производства является применение ТКГ с обеспечением рациональных условий хода электроплавки стали, т.е. нагрева (vt, К/мин) и обезуглероживания (vc, %[С]/мин) металла, степени его перегрева (At, К), оптимального соотношения v,/vc=119±7 К/%[С] (соответствует At=75±I5K), требуемых по технологии парамегров шлакового режима т.е. его вспенивание с погружением электрических дуг (при Ншл > Ьл, где Ншл - толщина шлака, м; Ьд - длина дуги, м), vc>0,01 %[С]/мин, окисленности 15%<(FeO)<25% и температуры Тшл>1853 К при соблюдении равенства скорости плавления (vnj], кг/с) и загрузки ЖМО в ванну ДСП (v0K, кг/с). Это позволяет увеличить теплоусвоение ванны:

л„ Q. г (г v , кВт, (1)

где QB - текущее теплосодержание ванны, кДж; G, и G0 - текущая и начальная масса металла в ванне, кг; см - теплоемкость металла, кДж/(кг-К); vOK - расход окатышей, кг/с; т - время, с.

Экспериментальные данные и анализ научно-технической литературы показывают, что плавка в ДСП при непрерывной подаче ЖМО в расплав имеет значительные энергетические преимущества, связанные со стабилизацией работы печи и особенностями физических процессов горения дуги на жидкий металл. Они проявляются в более высокой доле активной мощности, отбираемой печью от трансформатора и сокращении расхода электроэнергии. Кроме того, технологические преимущества проявляются в сокращении продолжительности плавки и повышении производительности электродуговой печи.

Анализ научно-технической литературы по применению трубчатых электродов в ДСП показал, что электрическая дуга на выходе из отверстия такого электрода концентрируется по центру торца, становится массивней и занимает вертикальное положение, что уменьшает выдувание дуг. Это способствует увеличению

через осевое отверстие электрода: 1 - металл; 2 - электрическая дуга; 3 - электрод; 4 - осевое отверстие; 5 - окатыш; 6 - мениск; 7 - шлак;

(Лзя, <3фгал и 0ШИ1Л - потоки

излучения дуги на ванну и футеровку (стены, свода), и излучения шлака

коэффициента использования мощности трансформатора на 10%, производительности агрегата на 7,5-11,5%, сокращению длительности периода плавления на 9-12%, а удельного расхода электроэнергии на 3-5% и более.

При подаче ЖМО через осевые отверстия в электродах печи основная масса окатышей расплавляется в подэлектроданом пространстве под воздействием локального перегрева мениска Д1:мен » Д1:, упл и v, —► шах.

Изучение процессов нагрева и плавления окатышей осуществляли в лабораторных условиях на электроиечной установке (ЭПУ) (рис. 2).

В ходе электроплавки были получены опытные данные по изменению химического состава металла и шлака, температуры металла, распределения тепловых потоков, теплоусвоения ванны, состава отходящих газов, вспенивания шлака, что позволило оценить эффективность экспериментальной плавки в сравнении с типовой, при использовании подачи окатышей,вне зоны воздействия дуг на расплав.

Из приведенных сравнительных

данных (табл. 1) следует, что при

использовании электрода с осевым

отверстием показатели работы установки

. „ „ улучшаются, т.к. в результате

Рис 2. Схема экспериментальном ~ г

электропечной установки: 1 - тигель, 2 - металл: стабилизации дуга становится

3 - шлак; 4 - электрод с осевым отверстием; массивнее, занимает вертикальное

5 - стойка; 6 - сварочный выпрямитель; положение, а ее мощность

7 - электрическая дуга; 8 - термопара; увеличивается. Это способствует

9 - милливольтметр; 10 - летка для выпуска созданию более направленного потока

металла; 11 -баллон; 12 - расходомер теши дуги на ванну с увеличением

скорости нагрева расплава.

Табл. 1. Сравнительные данные экспериментов по работе ЭПУ на различных типах электродов_____

Со сквозным С не сквозным Со сквозным Сплошной (типовой)

Тип электрода осевым осевым отверстием при

отверстием отверстием подаче Аргона

Эксперимент №1 (нагрев металлической пластины)

Время работы установки, с 35,6 31,8 37,4 31,4

Разница температур, К 261 216 201 128

Скорость нагрева v,, К/с 7,34 (+80%) 6,80 (+67%) 5,37 (+32%) 4,07

Среднее напряжение дуги, В 33,1 35,6 25,9 32,6

Средняя сила тока дуги, А 492,3 451,6 575,9 488,8

Средняя мощность дуги Р/р, кВт 15,58 15,51 14,08 14,73

\',/Рдср, К/(скВт) 0,471 (+71%) 0,438 (+59%) 0,381 (+38%) 0,276

Эксперимент №2 (плавление металлических образцов одинаковой массы и размера)

Время расплавления шихты, с 68 70 - 80

При подаче через них ЖМО, за счет дополнительного подогрева окатышей, при прохождении через электрическую дугу, и более высокой температуры расплава, в локальной зоне ее воздействия на поверхность ванны, суммарное время плавления порции ЖМО уменьшается в среднем на 10% в сравнении с подачей вне дуги.

Таким образом, обзорные (аналитические) материалы и опытные данные позволяют сформулировать задачи диссертационного исследования, заключающиеся в изучении и обосновании технологических, энергетических, экономических и экологических преимуществ электроплавки при непрерывной подаче ЖМО в подэлектродное пространство дуговой печи как перспективной электросталеплавильной технологии для российской черной металлургии.

Во второй главе «Исследование и моделирование распределения тепловых потоков в дуговой печи при образовании электрической дуги на выходе из осевого отверстия электрода в подэлектродном пространстве агрегата» рассмотрены особенности плавления окатышей в подэлектродном пространстве (рис. 1) в системе дуга-шлак-металл с оценкой эффективности процесса электроплавки стали.

Схемы распределения тепловых потоков, падающих от точечных дуг на поверхность ванны, стену и свод для ДСП приведены на рис. 3. Они даны для обоснования принципиальных особенностей распространения тепловых потоков от дуги, формируемой в торцевой части на выходе из осевого отверстия электрода, с целью определения доли тепла, поступающего на расплав агрегата (рис. 4 и 5).

<Ъ

в) 5

Рис 3 Схемы падающих тепловых потоков от электрических дуг на ванну (а), стену (б) и свод (в) дуговой печи. (0 - центр поверхности ванны; А, В и С - точка на поверхности ванны под соответствующей дугой; Д - расчетная точка на поверхности ванны, стены или свода; Е - проекция точки Д на поверхность ванны; г - расстояние от точки Д до центра 0; Я - расстояние от центра дуги до точки Д; гп - радиус печи на уровне зеркала ванны; И - половина высоты дуги; ак - угол между направлением Я и нормалью к элементарной площадке; а - угол между осью х и г

Так как элементам кладки излучением от дуги передается 90 % ее мощности, на основе телесных углов, выведенных из рис. 3, получены функции распределения тепловых потоков от трех дуг по поверхности ванны:

Р.,

4 кг:

0.9 4 Jtrí

ТI

-2К-

Рд|(1-Ксоза;)

1 + К2 -2Koosa, +

H-h

свода:

_ 0,9(1-1, -h) Л ч" h

(Н, -h)

-K¡-

-2К cosa,

(2)

(3)

(4)

где И, и Н - высота свода и точки Д на стене; К = гР/гп - отношение радиуса «распада» электродов к радиусу печи; Рд ¡, cosai - мощность и направляющий косинус i-й дуги.

Лабораторным экспериментом установлено, что при подаче ЖМО через отверстия электродов (рис. I) вспенивание шлака в подэлектродном пространстве существенно возрастает.

Как следует из данных (рис. 4 и 5) при увеличении экранирования электрических дуг шлаком (Ншл —* 1_д), доля тепла от них на ванну увеличивается, и следовательно увеличивается коэффициент использования энергии (г|киэ) и КИТ дуг (г|кнт).

100

0 25 50 75 100 Доля экранирования дуги. % Рис. 4. Распределение тепла по элементам печи (при различном экранировании дуг): I - поверхность ванны; 2 - стена; 3 - свод

7

^ 6

"Р _ со 5 2

* 4 о

83 о 2

Ш §1

0)

О

|/1 i

и i jr

■И"*

••' к

-Ь

OL

0

0,2 0,4 0,6 0,8 1 Безразмерный радиус (г/гп)

Рис. 5. Распределение падающих тепловых потоков на шлак по радиусу ванны при а = 0 и К = 0,2. (за вычетом потоков под электродом) при различных степенях экранирования дуг: I - 0; 2 - 25; 3 -50; 4 -75; 5 -90%

В работе создали модель расчета температурных полей в ванне ДСП с распределением тепла от дуг (2) расплаву, в котором идет плавление порции окатышей. Она построена с использованием метода конечных разностей для задач внутреннего теплообмена в трехмерном теле на основе использования уравнений теплового баланса и принятых допущений и ограничений. Математическое описание распределения тепла в ванне заключается в том, что искомое температурное поле удовлетворяет Зх-мерному уравнению теплопроводности в цилиндрических координатах:

ат 1д( ат^ а2т з2т ,

ср— = -— гХ— +Х.—т+х—Г + Чу' ^

дх г5г1, дг) еь2 5а2

в области 0 < г < гван(Ь); 0 < а < 60°; 0 < Ь < Ьван, где твзи(Ь) - функция радиуса ванны по высоте, описывающая положение внешней границы, м; X - коэффициент теплопроводности, Вт/(м-К); с - удельная теплоемкость, Дж/(кг-К); р - плотность, кг/м3, Яу - внутренние источники или стоки (плавление окатышей) тепла, Вт/м3.

При решении данной задачи использовали способ расщепления, т.е. сведение трехмерной разностной схемы к совокупности одномерных (по радиусу, по углу, по высоте). Для построения разностных схем, приняли метод балансов, причем исходили непосредственно из законов сохранения энергии и переноса тепла, примененных к дискретному температурному полю. Обобщенная блок-схема алгоритма модели (рис. 6), позволяет получить совокупное распределение температур в объеме шлако-металлической ванны, и следующие параметры:

- тепловой поток, усвоенный металлом (шлаком), д _ £х/д|. дт • и > Вт;

-КИТдуг,

" УгаР металла, _ .д^ кг/с;

- потери тепла излучением шлака, д^^ = £Е с„(Т/Ю0)4Р> Вт;

- потери тепла через футеровку, д+ _ £кфдт р > Вт,

Рис. 6. Упрощенная блок-схема алгоритма расчета теплового состояния шлако-металлической ванны ДСП

m = -П ПДК^и

+ 1,562

где q = F _ излучение дуг на поверхности менисков, Вт; q^ = £qVo>F-Д1/2 —

охлаждающий эффект' от подачи окатышей, Вт; Рд - количество тепла, генерируемого в электрических дугах, Вт; qV0K ~ удельный тепловой поток на плавление окатышей, Вт/м3; F - поверхность ячейки, м2; Д1 - расстояние между цензрами ячеек, м; ДТ, ДТос - разность температур ячеек, ячейки и окружающей среды, К; L - удельная теплота испарения металла, Дж/кг; епр - приведенная степень черноты для жидкого шлака; С0 = 5,67 Вт/м2-1С-коэффипиент излучения абсолютно черного тела; Т - температура поверхности ячейки шлака К; кф - коэффициенты теплопередачи, через футеровку ванны, Вт/м2.

С помощью модели (рис. 6) 2 рассчитали угар металла при подаче

ЖМО в подэлектродное пространство ванны 150 т ДСП (рис. 7). Из данных видно, что при использовании трубчатых электродов за счег увеличения коэффициента мощности, увеличивается и угар металла, но подача окатышей на поверхности менисков в качестве охладителя при vOK = 33,5 кг/с позволяет его свести к нулю.

На рис. 8 приведены результаты расчетов температурных полей в расплаве при использовании схемы подачи ЖМО (рис. 1) в подэлектродное пространство дуговой печи.

20 У0К. КГ/С

Рис. 7. Зависимость угара металла от скорости загрузки окатышей в подэлектродное пространство:

1 - трубчатые электроды, соэср = 0,86;

2 - типовые (сплошные) электроды, миф = 0,77

Рис. 8. Результаты расчетов распределения температур в объеме шлако-металлической ванны дуговой печи (а - подача окатышей на шлак в пространство между электродами; б - подача окатышей на металл в подэлектродное пространство (вверху сечения границы шлак-металл Ь=Н„С (вид сверху), внизу вертикальное сечение для угла ванны печи (а=0°))

Табл. 2. Расчетные показатели для различных способов подачи окатышей в ванну ДСП

Способ подачи окатышей в ванну в пространство между электродами в подэлектродное пространство

Тепловой поток, усвоенный металлом, МВт 64,18 73,58

Тепловой поток, усвоенный шлаком, МВт 5,142 1,645

КИТ дуг 0,768 0,833

Угар металла, кг/с 1,265 0,0056

Потери тепла через футеровку, МВт 0,931 0,929

Потери тепла излучением шлака, МВт 8,996 10,27

Средняя температура расплава межэлектродного (подэлектродного) пространства, К 1944(2953) 2373(2883)

Результаты моделирования для 150 т ДСП (рис. 8) свидетельствуют об энергоэффективности способа подачи ЖМО в зону высоких температур подэлектродного пространства. Установлено (табл. 2), что подача ЖМО через осевые отверстия электродов позволяет повысить КИТ дуг на 6,5%, усвоение тепла металлом через мениск на 14,5% и практически исключить угар металла в подэлектродном пространстве дуговой печи, что улучшает энерготехнологические показатели работы агрегата.

Из анализа данных моделирования (рис. 8) следует, что поверхность мениска в обоих случаях нагревается до температуры испарения. При подаче окатышей в подэлектродное пространство в результате охлаждающего эффекта слои металла под поверхностью мениска менее нагреты, градиент температур и соответственно теплоотвод от нее вглубь ванны выше, что уменьшает угар металла и повышается выход годного. Но при этом температура шлака в центре печи выше, что ведет к увеличению потерь от излучения шлаком.

В третьей главе «Исследование кинетических закономерностей процессов обезуглероживания металла в дуговой сталеплавильной печи при электроплавке ЖМО» на основе известных теоретических положений и экспериментальных данных по обезуглероживанию металла в ванне дуговой печи разработали математическую модель процесса окисления углерода в ванне переменной массы с учетом его составляющих и термодинамических особенностей.

Кинетика процесса обезуглероживания может быть представлена следующим обобщенным уравнением: d[C](x)/dx = vc, где vc = - vCJ - vC2 - vc>3 + vC4, %[С]/мин: здесь vc - обобщенная скорость окисления углерода в ванне дуговой печи при электроплавке ЖМО; vc,i - скорость окисления углерода в объеме металла на поверхности пузырьков СО; vc 2 - на границе раздела шлак-металл; vc 3 - кислородом ТКГ; vC4 - скорость науглероживания металла за счет подачи ЖМО в ванну печи. После расшифровки составляющих уравнение vc примет вид системы:

vc=-12/,6P040M01pJ^-12/.6P0([0]p,u-[01)^-, (6)

-Po,ao2"oJIo3nclOO/M„ + v(,,èa.-[Clpc„„)/Muc,%[C]/MHH,

где VMe и Мме - объем (м3) и масса (кг) металла в печи; р0 - коэффициент массопереноса кислорода, (Ю-3 - 10"5 м/с); Snp и Sm м - плошадь поверхности пузырьков СО и поверхности шлак-металл, м2; [О], [0]рс и [0]рш - содержание кислорода текущее в металле, равновесное с углеродом металла и равновесное со шлаком, %; Пс -доля кислорода на окисление углерода; ао2 - коэффициент усвоения кислорода ванной; Iq2 - интенсивность подвода технического кислорода, м /мин; р02 - плотность кислорода, (1,42-10"3 кг/м3); х02 - Доля кислорода в дутье; v0K - скорость подачи

окатышей в печь, кг/мин; [С]ок и [С]^^ = 12/16[0]ок - содержание углерода в окатышах и углерод окатышей, идущий на довосстановление оксидов железа, содрежащихся в них, %; d0 - коэффициент, учитывающий накопление кислорода в металле.

Учитывая изменение массы металла, находим концентрацию углерода в нем: [C] = |cu-vc(t-t0))^„e0/Mue, (7)

где т0 - начало окислительного процесса; т - окончание окислительного процесса; [С]пач - начальная концентрация углерода, %; [С] - конечная концентрация углерода, %; Мме 0 - начальная масса металла в печи, кг.

Скорость образования I(FeO) в шлаке за счет продувки кислородом:

v(FEO),,=72/16p0ja0jx02I02nFe, КГ/МИН, (8)

где r)Fe - доля кислорода на окисление железа.

Скорость изменения £(FeO) в шлаке за счет окисления углерода в ванне печи: V(FeO),2 = -72/12vcMue/100, кг/мин. (9)

При плавлении окатышей происходит довосстановление оксидов железа FeO, содрежащихся в них. Скорость поступления I(FeO) в шлак за счет загрузки окатышей: v(FeO).3 = V0K^2/16([O]olc - 16/12[С]о1с)/100> кг/мин. (10)

Тогда суммарная скорость образования I(FeO) в шлаке:

v(FtO) = v(FeO).l + v(FcO),2 + v(FcO),3 ' (")

Накапливающаяся масса шлака (Мшл), исходя из непрерывной подачи окатышей и шлакообразующих, с учетом образующегося (FeO), рассчитывается по формуле:

Мшл = Мм0 + (vOKB/100 +v(Fe0) + vh3b)(t-t0)> (12)

где В - содержание пустой породы в окатышах (СаО и Si02), %; vmB - скорость подачи извести в печь, кг/мин.

Текущая масса металла, с учетом подачи окатышей, образующегося FeO, скорости обезуглероживания и угара металла, рассчитывается по формуле:

M„=M„0 + ((v„Fer-vcM„J/100-56/72v,Ft0,-my„n)(t-T0)- (13)

Следовательно, фактическое содержание I(FeO) в шлаке находим по формуле:

Ц FeO) = (l(FeO)„, М 0 /100 + v(м> (t - т0)) 00 / М „, (14)

где S(FeO)Ha4 - начальное содержание I(FeO) в шлаке, %. Текущее содержание кислорода в металле принимаем равным: tO]-lO]M.(S41 + S^) + [OUS1111.J^w + 2S„.)- (15)

Ванна ДСП в упрошенном виде представляет собой усечённый конус с углом а = 45°, направленный вниз, высотой Нван. Тогда высоту слоя металла и шлака можно определить из формулы: н, = (фV, /(* • tna)+ RM - R J- tna. м, (16)

где V£ = VMe + V^ - объем металла и шлака в печи, м3, высоту слоя металла находим из (16) путем подстановки данных по V„e.

Одним из основных факторов вспенивания шлака является выделение СО, объем которого определяем по формуле:

Vco = 28/12((vcl+vtJ + vc,1)M>. + v„[C]w,)/(60-100pco),M3/c> (17)

где рсо - плотность газа пузырей, кг/м3.

Внешнее давление на пузырьки: Рсо = р>и = Рт +(H„tPue +HmPmJt)g, (18)

гДе Ратм. - атмосферное давление, Па; g - ускорение свободного падения, м/с2; Нм« Ншл - высота слоя металла и шлака над пузырьком, м; рме - плотность металла; Ршл - плотность шлака.

Скорость всплытия пузырьков при этом равна: Wco «^/4/3rg > (19)

где r = ^2cr/(pg) _ радиус пузырька: а - поверхностное натяжение расплава, Дж/м2. Объем СО в ванне находим по формуле: vco =vcoH/wco- (20)

Количество пузырей СО равно: n^t = усов/упуГ

где Vny3 = 4/Злг3 - объём пузырька, м3.

Для определения площади поверхности металл-шлак использовали выражение:

sra „ = s,., + o.is^ и = sn^ , (22)

где S3B — площадь зеркала ванны, м2; S = 4ЯГ2 - поверхность пузырька, м2. Тепловой эффект от реакций: =(qc,vc, +q„vCJ + qc.,vc., + qc.<vc.4)M„/ioo, (23)

(24)

где q -теплоты реакций: qc 1, [С] + [О] — {CO}; qC2, [С] + (FeO) — [Fe] + {CO}; Чс,з> [C] + l/20j - {CO}; qc,4, C0't - [С]; q(Feo).b [Fe] + i/202 - (FeO); q(Fe0),2, [Fe] + + [O] - (FeO).

Потери тепла с уходящими газами составят: q^ m = ссо vcopcotco • (25)

Тогда скорость нагрева шлако-металлического расплава от обезуглероживания: v ; Чус-Чу*.™ . (26)

MBtc

ме шл

Уравнения (6)-(26) составляют структуру математической модели окислительно-восстановительных процессов при обезуглероживании металлического расплава в ванне дуговой печи переменной массы, которая учитывает отдельные составляющие реакции окисления углерода (vc), распределение кислорода на окисление, формирование пузырьков, содержание углерода, параметры теплового состояния ванны и другие технологические факторы плавления ЖМО в печи по ходу плавки. На основе модели разработали алгоритм и программу расчета режима обезуглероживания (рис. 9) и других технологических параметров процесса электроплавки ЖМО.

Расчет начинается с определения коэффициентов распределение кислорода на окисление и концентраций кислорода в металле, равновесных с содержанием углерода в металле [0]рС и со шлаком [0]м ш с учетом параметров образования пузырей в ванне. Затем, задавая нулевое приближение величин поверхностей пузырей в металле и раздела шлак-металл, находим составляющие обезуглероживания и науглероживания металла. По полученным данным определяем объем выделяющегося СО и новое приближение величин поверхностей пузырей в металле и раздела шлак-металл. При погрешности полученных значений меньше заданной производим расчет содержания углерода [С], окисленности ЦРеО) шлака, и тепловых эффектов. Далее повторяем расчет для следующего промежутка времени, до завершения процесса.

Программа позволяет определять по ходу плавки концентрацию углерода [С], окисленность £(FeO) шлака, и оценивать тепловые эффекты в результате обезуглероживания. Определяя vc (6) и скорость нагрева металла по уравнению (26) представляется возможным осуществлять контроль соотношения процессов (v„ К/мин) и (vc, %[С]/мин) с тем, чтобы оптимизировать ход электроплавки ЖМО.

Адекватность проверяли путем сравнения расчетных значений содержания углерода в металле [С] с фактическими, по данным проб метала 150 т ДСП (рис. 10). Разброс не превышает 5%, что свидетельствует об адекватности предложенной модели и о возможности практического использования ее алгоритма и программы для расчета

управляемого окислительного рафинирования при электроплавке ЖМО в ванне дуговой печи.

Рис. 9. Блок-схема алгоритма расчета режима обезуглероживания металла в дуговой печи с применением непрерывной подачи ЖМО

0,18 ,0,14

I 0,1 ^

Г

"0,06 0,02

у = 0.9872х- 0,0004 х> Р?2 = 0,9118 уО О

О*

о о

0,02 0,06 0,1 0,14 0,18 [С]фот %

Рис. 10. Сравнение расчетных значений содержания углерода в металле, по предложенной модели, с фактическими, по пробам плавок 150 т ДСП

Результаты моделирования

параметров обезуглероживания при постоянной скорости подачи окатышей и количестве кислорода ТКГ на плавку в ванне 150 т ДСП от начала загрузки (Мме нач = 50 т) до достижения массы металла в печи 150 т приведены на рис. 11 и 12.

Данные рис. 11 (кривая 3) подтверждают решающий вклад кислорода от ТКГ в обезуглероживание расплава. При этом ус ь ус 2 являются незначительными, но оказывают влияние на вспенивание шлака. Общий вид кривых совпадает с литературными и опытными данными.

Как следует из данных рис. 12 при постоянном количестве извести и кислорода на расчетный период, кривые содержания углерода (поз. а) имеют вид экспоненциальной зависимости. В начальный период [С] практически линейно зависит от времени, затем при [С] = 0,2 ± 0,05 % скорость изменения уменьшается и на конечном отрезке практически неизменна. Конечные содержания углерода при этом приблизительно равны. Окисленность шлака (рис. 12, б) в конечный период растет быстрее, так как при снижении содержания углерода ниже [С] = 0,2 ± 0,05 % доля кислорода на его окисление уменьшается, а на окисление железа соответственно увеличивается, что может существенно повысить потери железа со шлаком. Кривые скорости нагрева от обезуглероживания (рис. 12, в) имеют вид экспоненциальной зависимости и непрерывно снижаются в связи с постоянным увеличением массы шлако-металлического расплава.

0,03

g.0,021 л-г

<5-0,04 '

20

40 60 80 100 т, мин

Рис. 11. Зависимости составляющих скорости окисления углерода сталеплавильной ванны 150 т ДСП (1, 2, 3, 4, 5 - vc,i, vc.2, vc.j, vc.4 и vc, %[С]/мии) при непрерывной загрузке ЖМО v0k (а - 20 кг/с; б - 30 кг/с; в - 40 кг/с)

100

Рис. 12. Характер изменения содержания углерода в металле (а), окисленности шлака (б) и скорости нагрева от обезуглероживания (в) по ходу плавки при непрерывной загрузке ЖМО (1 - 40 кг/с; 2 - 30 кг/с; 3-20 кг/с)

При расчете также определяются составы, массы и уровни металла и шлака и объем выделяющихся газов, что можно использовать для расчета температуры металлической ванны и управления режимом загрузки ЖМО.

В четвертой главе «Исследование кинетики и механизма плавления окатышей в системе дуга-шлак-металл, разработка математической модели и алгоритма расчета параметров нагрева и плавления ЖМО в ванне ДСП» рассмотрены вопросы интенсификации плавления окатышей при их подаче в зону воздействия дуг на шлако-металлический расплав.

Разработана математическая модель нагрева и плавления окатыша в системе дуга-шлак-металл. Плавление окатыша в расплаве и в дуге представляет собой задачу теплопроводности с движущейся границей. При этом плавление в подэлектродном пространстве имеет особенности. Исходя из того что окатыш первоначально подвергается интенсивному излучению дуги, проходя в непосредственной близости от неё, а температура плавления металла больше температуры плавления окатыша, механизм процесса плавления включает в себя следующие этапы:

1. Нагрев поверхности окатыша до температуры плавления в результате воздействия излучения от дуги, во время падения.

2. Плавление окатыша во время его падения в дуге. При этом расплав окатыша, накапливается на поверхности твердого остатка, передает тепло теплопроводностью и его поверхность, под действием дуги, нагревается выше температуры плавления.

3. Плавление окатыша в жидком металле подэлектродного пространства.

При построении модели приняли соответствующие допущения и ограничения.

Для 1-го периода (нагрев в дуге). Искомое температурное поле удовлетворяет

одномерному уравнению теплопроводности в сферических координатах:

ср^>Аи£11,о<г<г„. (27) Зг г Зг\ дт)

Основное граничное условие выражает уравнение теплового баланса на

поверхности окатыша: ? дТ(го«-т)_д , (28)

дт изл

где я„,л - тепловой поток излучения от дуги на поверхность окатыша, Вт.

Для 2-го периода (плавление в дуге). Так как в результате плавления расплав остается на поверхности, то искомое температурное поле удовлетворяет уравнению (27) но в области 0 < г < гпов(т) для окатыша и гпов(т) < г < гок для расплава (где г„ов(т) -функция радиуса твердой поверхности окатыша). То есть имеем 2 границы: движущуюся между остатком окатыша и его расплавом и постоянную на поверхности расплава, которая воспринимает излучение дуги.

Для 3-го периода (плавление в металле). Искомое температурное поле удовлетворяет уравнению (27) но в области с движущейся границей 0 < г < гпов(т). А основное граничное условие выражает уравнение теплового баланса на границе раздела окатыш-расплав: , ЭТ(гта(т)д) | =0, (29)

д! ° ™

где уш - скорость кристаллизации (+) или плавления (-) слоя, кг/с; Ь - удельная теплота плавления расплава, Дж/кг; ц0 = а(1р - 1:пов) — тепловой поток конвективной теплоотдачи от расплава к поверхности окатыша; а - коэффициент конвективной теплоотдачи, Вт/(м2-К); ^ и 1:пов - температура расплава и поверхности, К.

Для решения задачи использовали неявную 4-х точечную разностную схему и сетку с переменным числом узлов, принимая, что за один шаг по времени граница перемешается на один шаг по координате. При построении разностной схемы использовали метод баланса. Исходили непосредственно из законов сохранения энергии и переноса тепла, примененных к дискретному температурному полю.

Адекватность модели проверяли путем сравнения результатов расчета с опытными данными толщины намерзающей корочки на опытных образцах при их погружении в перегретый расплав (рис. 13). Разница не превышает 6%, что свидетельствует об адекватности предложенной модели.

Результаты расчета приведены на рис. 14. Из данных рис. 14 видно, что время плавления при подаче окатышей на расплав под дугой в 4 раз меньше, чем при плавлении их в шлаке. При подаче окатыша в шлак на нем образуется корочка

о

10 1 5 20 25 30 Радиус образца, мм Рис. 13. Толщина намерзшей корочки от радиуса исследуемого опытного образца (на основе лабораторного эксперимента). Линии -расчет, Д и о - пробы металла

толщиной до 25% от его радиуса, а сам тепловой период достигает 35% времени плавления. При подаче в расплав под электродом корочка более чем в 3 раза меньше, продолжительность теплового периода не превышает 20%, а при высоких значениях а корочка не образуется вовсе.

Температурные условия окатыша проанализировали в динамике по ходу нагрева и плавления. Установили, что при плавлении в шлаке к концу теплового (а) доля теплового периода (б) и периода окатыш успевает прогреться, в то относительная толшина корочки (в) от а при

время как при подаче в подэлектродное разных способах подачи (-- на

пространство по его сечению присутствует расплав под дугой; _ _ _-вшлак) существенный градиент температур.

В пятой главе «Разработка энергосберегающей технологии электроплавки стали с применением комплексной математической модели расчета процессов нагрева, обезуглероживания, плавления и загрузки окатышей через осевые отверстия электродов дуговой печи» предусматривается, на основе предложенного нового метода загрузки ЖМО в ванну ДСП (рис. 15), осуществлять энерготехнологический режим плавления ЖМО в сочетании с рациональной скоростью их загрузки (v0K = fl[tB, At, vnJI и др.)) при оптимальных параметрах теплового состояния металлической ванны агрегата (v„ vc, vnjl, At, AqB и др.) и в 'условиях высокой интенсификации тепловых и технологических процессов (vnj]—>тах) путем воздействия ТКГ на шлаковую ванну. При подаче ЖМО по схеме рис. 15 процессы их нагрева и плавления интенсифицируются, а управление процессом электроплавки осуществляется в соответствии с существующей системой АСУ-ТП.

Расчеты показали, что время падения в электроде слабо зависит от скорости загрузки. Так при длине электрода 4,5 м и диаметре отверстия 150 мм время падения составит тпад = 0,926 и 0,892 с, соответственно при v0K = 30 и 60 кг/с.

Также определили порозность потока ЖМО в трубчатом электроде (рис. 16), длиной 4,5 м (2 секции) с различным диаметром отверстия. Из полученных данных следует, что при диаметре отверстий более 75мм, объемная доля ЖМО меньше 30% и их подача возможна со скоростями которые используются на 150 т ДСП «ОЭМК».

метаплизованных окатышей в дуговую печь:

1 - расход металлошихты на электроплавку;

2 - датчик расхода сыпучих материалов;

3 - управляющая ЭВМ; 4 - бункер ЖМО; 5-6 - конвейеры загрузки окатышей и сыпучих материалов; 7 - приемная воронка; 8 - ДСП; 9 — датчик активной мощности; 10 - исполнительный механизм загрузки окатышей и сыпучих; 11 - система контроля температуры металла; 12 - активная мощность; 13 - расход окатышей; 14 - датчики тока; 15-датчики напряжения; 16-трубчатые электроды; 17 - метатл; 18 - расчет теплоусвоения ванны; 19 - конусные воронки с патрубками для подачи газа

Рис. 16. Зависимость порозности (е) потока ЖМО в осевом отверстии электрода (длиной 4,5 м) от расхода окатышей, при различных диаметрах отверстия: 1-150 мм; 2-100 мм; 3-75 мм; 4 - 50 мм

8

2 ......' - -................

0,2 0,3 0,4 0,5

Длина дуги, м Рис. 17. Опюшение количества тепла, полученного окатышем при движении в подэлектродном пространстве (Чт.,.«) к теплу полного его усвоения (яок) в зависимости от длины дуги (1 - гок = 5 мм; 2 — г», = 5,5 мм; 3 — Го, = 6 мм; 4 - гот = 6,5 мм; 5 - Го, = 7 мм)

При движении окатышей в объеме электрической дуги они нагреваются за счет излучения. Характер влияния длины дуги и радиуса окатышей (гок) на тепло, полученное окатышем от воздействия на его поверхность излучения дуги (ц«ло.), отнесенное к теплу необходимому для полного его нагрева и расплавления ^ок), что приведено на рис. 17.

Анализ данных (рис. 17) свидетельствует о том, что окатыш, проходя путь от попадания в дугу до шлако-металлического расплава в ванне ДСП, получает от 3% необходимой энергии для его усвоения. С уменьшением длины дуги и его размера доля возрастает до 7,5%. Это способствует ускоренному росту теплосодержания потока ЖМО.

При оптимизации энергетического и технологического режимов электроплавки ЖМО учитываем следующие обстоятельства. Тепло, усвоенное ванной:

где = зп р - тепловая мощность электрических дуг, усвоенная ванной печи, кВт; 0ухпи, 0ф„ Оохл и 0ПОГ - потери тепла с уходящими газами,

теплопроводностью через футеровку ванны, от излучения шлаком в рабочее пространство, потери тепла с охлаждающей водой и другие потери, кВт. Величины Юф в. <3ш) находим на основе модели теплового состояния ванны (Глава 2), 0ух газ из расчета обезуглероживания расплава (25). Потери тепла с охлаждающей водой:

О =(, )у , кВт, (31)

\ в п 1ву/ вод 4 '

где 1вп, ^ у - температура воды поступающей к охлаждающим панелям и уходящей из них соответственно, К; увоя - расход воды на охлаждение, м3/с. Другие потери (принимаем равными 0,1 от общих потерь): о,,от = о,1 (д>хга,+дФ.+ <Зш + дох,), кВт. (32)

Усвоенное тепло идет на нагрев ванны (теплоусвоение), протекание химических реакций, и нагрев и плавление поступающих окатышей.

О^Лд.+я^+я,,,, кВт. (33)

При этом тепловой поток необходимый для нагрева окатышей до температуры плавления, подаваемых в ванну ДСП, собственно их плавления и нагрева получившегося расплава до текущей температуры металла в печи, равен:

Я™ = [СсК, - и + и, + ср(и - иЖ,, кВт, (34)

где сок, ср - удельная теплоемкость окатыша и получившегося расплава, Дж/(кг-К); 1ок, 1пл, 1ме - температуры начальная и плавления окатыша, металла в ванне, К; Г„л - удельная теплота плавления окатыша, Дж/кг.

Главными составляющими тепла затрачиваемого (получаемое) за счет протекания химических реакций в агрегате являются тепло от обезуглероживания (23), тепло окислительно-восстановительных реакций железа (24) и тепло на довосстановление оксидов содержащихся в окатышах:

Чхим =(КС +СК(Ге0) + Чс + ГеО-»Ке+{СО} [С^^/ЮО- (35)

Энергосберегающие условия электроплавки ЖМО в дуговой печи определяются взаимосвязью уровня теплоусвоения ванны и фактическим расходом окатышей (уок) в соответствии с уравнением (1). Применяя уравнения (12) и (13), учитывающие поступление материалов в печь (1) примет вид:

Дч»=(м„сс„г+м„1,1сш.1к,- (36)

Из анализа вышеизложенного, на основе совместного рассмотрения уравнений (32), (33) и (36) представляется целесообразным расход ЖМО на электроплавку стали оценивать по текущим теплоэнергетическим и технологическим параметрам работы агрегата: _ 0, -ч^» ~(м«с„. + Мщ^К . (37)

~ с„а„,-1„) + гвл + ср(1„-1„) Исходя из оптимального перегрева металла над ликвидусом Д1 = 75 ± 15 К и 1Л„КВ = 1539 + 273-85 [%С], К, следует: 1опт = Д1 + (1812 - 85 [С]).

Тогда у = = ¿1+(1812-85[С])-1„ . (38)

1 т т

Необходимым энергосберегающим и важнейшим условием электроплавки ЖМО в ДСП является соблюдение принципа равенства скоростей загрузки уок и плавления \<п., окатышей.

При непрерывной подаче ЖМО в печи (рис. 15) скорость плавления окатышей в объеме металла (шлака) равна: упл = Ыток/тпл, (39)

где N - количество одновременно плавящихся окатышей. При попадании окатышей в расплав на поверхностях менисков N < 0,9069-38мен/8ок; 0,9069 -коэффициент плотности размещения окатышей при наилучшем заполнении

поверхности; 5мен - поверхность мениска, м2; $ — поверхность которую занимает

один окатыш, м2; тпл - время плавления окатыша, (рис. 14, а).

Наиболее вероятная форма лунки в месте соприкосновения дуги с ванной -шаровой сегмент. Тогда поверхность мениска определяется следующим образом:

где Ьд - длина дуги, м; Ьме„ - глубина мениска, м. Заглубления дуг в 100 и 200 тонных печах составляет 3 мм/кА:

(41)

где 1д - ток дуги, А.

Длину дуги, можно вычислить по формуле:

I., = (иа -и,.,)/ри > (42)

где ид - напряжение дуги, В; иа_к - анодно-катодное падение напряжения, (для условий выплавки электростали в ДСП иа.к = 30 В); где - градиент напряжения в столбе дуги, (в зависимости от периода плавки ри = 500-1000 В/м); гэ - радиус электрода, м.

При этом скорость эффективного плавления:

4/Зяг,'.р„. 0,9069-35 мен _ 3.62765„яг„.р„. , кг/с. , (43)

По ходу плавки необходимо также поддерживать оптимальный уровень основности шлака (В=СаО/8Ю2), подавая в печь соответствующее количество извести. Для ее расчета распишем массы СаО и 8Ю2 из уравнения (12):

(СаО) = (СаО),, + КкСаО„к /100 + у„,„ Хт - т0) > (44)

(5Ю:) = (5Ю2 )0 + (у„,5Ю1о, / ЮОХт - т„) > (45)

где Са0ок, 8Ю2ок - содержание этих оксидов в окатышах, кг; (СаО)0, (8102)о -начальная масса оксидов в шлаке, кг.

Тогда из (44) и (45) получим скорость подачи извести: V,,, =(В5Ю2,„ -СаО„к./ЮО + (В(5Ю2)0-(СаО)0)/(т-т{,)- (46)

Уравнения (6)-(26) и (30)-(46) составляют структуру математической модели для определения расхода окатышей и других параметров электроплавки. В соответствии с базовой системой управления электрическим режимом 150 т ДСП в ЭСПЦ ОАО «ОЭМК», при использовании нового метода загрузки окатышей в подэлектродиое пространство (рис. 15), разработан алгоритм и программа расчета энерготехнологических параметров электроплавки ЖМО в дуговой печи. Он позволяет согласовать режимы плавления (\'пл) и загрузки (\'ок) окатышей, на основе учета параметров теплового состояния ванны, оптимального перегрева металла над линией ликвидус, оптимального соотношения скоростей нагрева и обезуглероживания ванны при подаче окатышей как в подэлектродиое, так и в межэлектродное пространство агрегата. Блок-схема алгоритма приведена на рис. 18.

После задания исходных данных (блок 1) производим расчет электрических параметров (блок 2) и процесса обезуглероживания (блоки 3-9), на основе ранее рассмотренного алгоритма. Далее находим тепловые эффекты в результате протекания всех реакций и потери тепла ванны печи (0ух га1, Оф в, 0Ш, Оохл и 0ПОТ), и определяем тепло усвоенное ванной 0Т (блок 10). По полученным значениям и формулам (37), (38), (43), (46) находим скорость нагрева, загрузки и плавления ЖМО, и загрузку извести (блок 11). Проверяем погрешность полученной скорости загрузки ЖМО (блок 12) при необходимости повторяя расчет начиная с обезуглероживания (блок 3). Исходя из

^ Начало

Исходные данные: t, palu, [С]„ач, (FeO)„a4, RTOJ, а; загрузка: v0„v«,.; дутье: I02, аог, "о:, Р02: ух. газы: tco, Peo; металл и шлак: МЖМ„, р„с, Ршл, cMt, Сщ.,, cv,; теплоты: qc 1, qc.2, Чс.з, qc.j, qiFcou, qiFcou.

Расчет электрических параметров

г-2 _

и2ф = и2л / S; "з = ХЯ кх; ил = л/и2ф - (1.,х.,)= - 1лг„; Q; = Г|ДРЛ

Г

[0]Рс, Чс, a<Fcoi, Lo; [0]рш,

-8-

г4-

Н(16);рсо(18); г; V„„; S; wCo(19); d0; = S,, = Sm.M.Ka,;

I

[O] (15); vc,u vc.2, vc.3, \'c.4, vc (6)

Veo (17); Veo. (20); N„,,(21);

Sin M (22)

V(FeO).l. V(FeO).2, V(FcO),3, V(FcOfc (8-11);

Mm,i(12); Muc(13); [C] (7); i(FeO) (14); (CaO) (44); (S¡02) (45).

10-

q>c(23); qvlF<o, (24); q?xnM(25); Qo« (31); Q„ot (32); q.4„„ (35); Q,(30)

V0, = Va, и увеличить

т = Дт

Вывод данных: т„; [С](т); I(FeO)(r); В(т); Ut); \'с(т); v,(i); Qz; 0,д.

Конец ^

Рис. 18. Блок-схема алгоритма расчета энерготехнологических параметров электроплавки ЖМО в дуговой печи при согласованном ходе режимов плавления и загрузки окатьГшей

соотношения скоростей загрузки и плавления ЖМО, производим корректировку расхода электроэнергии или скорости загрузки (блоки 13-15).

В случае существенных расхождений между ними, осуществляем корректирующее воздействие изменением мощности дуги, либо производим перерасчет значений vn„ и QT, вводя корректировку по к и по температуре металла в печи. Определяем время до окончания загрузки, шаг по времени, время с начала загрузки и температуру (блоки 16-20). Далее расчет повторяем до достижения заданной массы (блок 21), рассчитываем показатели плавки (блок 22) и выводим результаты расчета (блок 23).

Конечным итогом расчета по алгоритму (рис. 18) являются следующие параметры плавки: т„ - время плавки, мин; [С](т) - содержание углерода, %; 2(FeO)(t) -окисленность шлака, %; В(т) - основность шлака; tMe(x) - температура металла, К; v,(t)~ скорость нагрева (К/мин) и vc(x) - скорость обезуглероживания ([С]/мин) металла по ходу плавки и другие. Данный алгоритм может быть использован, как при существующей в ЭСПЦ ОАО «ОЭМК» технологии, так и в перспективе при использовании новых методов загрузки ЖМО и других технологических приемов электроплавки стали в дуговых печах.

Адекватность проверяли путем сравнения расчетных значений температуры металла с фактическими, измеренными термопарой в 150 т ДСП (рис. 19). Разница не превышает 5%, что свидетельствует о возможности ее практического применения, в том числе для контроля и оптимизации энерготехнологического режима электроплавки ЖМО.

Произвели перерасчет

существующих технологических

показателей плавки для 150 т ДСП (табл. 3) при использовании нового метода загрузки (рис. 18) окатышей в подэлектродное пространство ДСП через осевые отверстия электродов в зону электрических дуг (рис. 1).

Установили, что при

использовании нового метода загрузки и соблюдении всех параметров рекомендуемого режима плавки, удельный расход электроэнергии снижается от 3 до 5%, производительность печи возрастает до 10%, cos<p возрастает примерно на 10%, время плавки под током уменьшается на 10-14%, а выход годной жидкой стали увеличивается на 1,2%. Из приведенных сравнительных данных (табл. 3) следует, что при новом методе загрузки, по рекомендуемой технологии электроплавки стали, с учетом ее отработки на основе предложенного алгоритма, представляется возможным повысить энергоэффективность электроплавки стали.

1975

1950

1925

1900

1875

1850

у = 0,9315х+ 130.11

R2 = 0.9364 о

О о А о

OJ,

1825

1825 1850 1875 1900 1925 1950 1975

Рис. 19. Сравнение расчетных значений температуры металла по предложенному алгоритму с факгическими, по замерам плавок 150 т ДСП

Табл. 3. Анализ эффективности работы 150 т ДСП при плавлении ЖМО по типовой технологии (А, Б) и при использовании метода подачи окатышей через осевые отверстия электродов в подэлектродное пространство (В, Г)_

Показатели электроплавки стали при различной мощности трансформатора А (90МВА) Б (105МВА) Расчетные значения Улучшения показателей, %

В (90МВА) Г (105МВА)

В и А Б и Г

Производительность печи, т/ч 88 102 96 115 9,1 12,7

Удельный расход электроэнергии, кВтч/т 560 540 540 517 -3,5 -4,2

Время плавки под током, мин 85 72 76 62 -10,6 -13,9

Плавление завалки лома, мин 16 14 14 12 -12,5 -14,3

еоБф в период расплавления металлошнхты 0,76 0,77 0,84 0,86 10 11

Плавление ЖМО, мин 69 58 62 50 -10.1 -13.8

Скорость загрузки ЖМО, кг/с 34 40 39 46,5 14,7 16,25

Выход годной стали, % 90 90 91,2 91,2

Основные выводы и результаты

1. На экспериментальной электропечной установке постоянного тока, установили, что при использовании электродов с осевыми отверстиями в результате стабилизации дуги увеличивается ее мощность и создается более направленный поток тепла дуг на ванну с увеличением скорости нагрева расплава на 70%. При подаче через них ЖМО, за счет дополнительного подогрева дугой и более высокой температуры расплава, время плавления порции окатышей уменьшается в среднем на 10%.

2. Разработана математическая модель теплового состояния ванны с учетом способа подачи окатышей. Моделированием для 150 т ДСП установлено, что подача ЖМО через осевые отверстия электродов позволяет повысить КИТ дуг на 6,5%, усвоение тепла металлом через мениск на 14,5% и практически исключить угар металла в подэлектродном пространстве, что улучшает энерготехнологические показатели работы печи и повышает выход годного.

3. Предложена математическая модель процесса обезуглероживания при непрерывной подаче окатышей и использовании ТКГ с учетом изменения, по ходу плавки, окисленности шлака и распределения кислорода на окисление компонентов расплава, что позволяет использовать ее для расчета управляемого окислительного рафинирования при электроплавке ЖМО в ванне дуговой печи. При расчете определяются составы, массы и уровни металла и шлака и объем выделяющихся газов, что можно использовать для расчета температуры ванны и управления режимом загрузки ЖМО.

4. Уточнен механизм нагрева и плавления окатыша с учетом влияния излучения электрической дуги, образования корочки металла на нем и положения области его подачи, и разработана математическая модель процесса плавления окатыша при его подаче в подэлектродное пространство, которая позволяет прогнозировать время его плавления. Результаты моделирования подтвердили эффективность подачи окатышей на расплав под дугой. Так время плавления в 4 раз меньше, чем при плавлении их в шлаке, а

при прохождении через дуговой разряд окатыш может получить до 3-7,5% от суммарно необходимой энергии.

5. Предложены и запатентованы устройство и способ загрузки металлизованных окатышей в ДСП, которые позволяют реализовать технические решения по плавке ЖМО в зоне высоких температур.

6. Разработан алгоритм расчета энерготехнологических параметров электроплавки ЖМО в дуговой печи. Алгоритм может быть использован для контроля и оптимизации энерготехнологического режима электроплавки ЖМО, как при существующей в ЭСПЦ ОАО «ОЭМК» технологии, так и в перспективе при использовании новых методов загрузки ЖМО и других технологических приемов электроплавки стали в дуговых печах.

7. Перерасчетом существующих технологических показателей 150 т ДСП для условий использовании метода загрузки окатышей через осевые отверстия электродов установлено, что при соблюдении рекомендуемых параметров режима плавки удельный расход электроэнергии снижается от 3 до 5%, производительность печи возрастает до 10%, cosip возрастает примерно на 10%, время плавки под током уменьшается на .10-14%, а выход годного увеличивается на 1,2%. Таким образом, при новом методе загрузки, по рекомендуемой технологии электроплавки стали, с учетом ее отработки на основе предложенного алгоритма, представляется возможным повысить энергоэффективность электроплавки стали.

Публикации по теме диссертации в изданиях, рекомендованных ВАК:

1. Черменев Е.А., Меркер Э.Э. Роль окисленное™ и обезуглероживания металла при плавлении окатышей в дуговой печи II Известия Вузов. Черная металлургия. - 2011. - №9. - С. 8-10.

2. Меркер Э.Э., Черменев Е.А., Сазонов A.B. Исследование эффективности электроплавки металлизованных окатышей при их непрерывной подаче в ванну дуговой печи // Известия Вузов. Черная металлургия. - 2012. - №5. - С. 14-17.

3. Черменев Е.А., Меркер Э.Э., Харламов ДА. Моделирование передачи тепла, нагрева и плавления окатышей в ванне дуговой печи // Известия Вузов. Черная металлургия. - 2013. - №5. - С. 67-68.

4. Черменев Е.А., Меркер Э.Э., Степанов В.А. Исследование кинетических закономерностей обезуглероживания металла при электроплавке окатышей в дуговой печи // Вестник ЧГУ. - 2013. - №3. Т.1. - С. 21-26.

5. Черменев Е.А., Меркер Э.Э., Степанов В.А. Разработка математической модели нагрева и плавления железорудных окатышей в дуговой печи // Известия Вузов. Черная металлургия. - 2014. - №1. - С. 65-69.

6. Меркер Э.Э., Черменев Е.А. Математическая модель обезуглероживания металла при электроплавке железорудных окатышей в дуговой печи // Сталь. - 2014. -№3. - С. 28-32.

Другие публикации:

7. Черменев Е.А., Меркер Э.Э., Сазонов A.B. Влияние шлакового режима на параметры электроплавки окатышей в дуговой печи // Моделирование, программное обеспечение и наукоёмкие технологии в металлургии: труды 3-й Всероссийской научно-практической конференции / под редакцией С.П. Мочалова, В.П. Цымбала; Сиб. гос. индустр. ун-т. - Новокузнецк: Изд. центр СибГИУ, 2011. - С. 325-331.

8. Черменев Е.Л., Меркер Э.Э. Влияние шлакового режима на параметры электроплавки окатышей в дуговой печи // Сборник трудов седьмой региональной научно-практической конференции студентов и аспирантов. Т. 1. - Старый Оскол: СТИ IШТУ МИСиС, 2011. - С. 68-69.

9. Черменев Е.А., Меркер Э.Э. Энергосберегающие условия хода электроплавки железорудных металлизованных окатышей в дуговой печи // Сборник трудов седьмой региональной научно-практической конференции студентов и аспирантов. Т.1. - Старый Оскол: СТИ НИТУ МИСиС, 2011. - С. 69-70.

10. Сазонов A.B., Меркер Э.Э., Черменев Е.А. Интенсификация плавления окатышей при их загрузке в зону воздействия электрической дуги на шлакометаллический расплав // Бюллетень «Черная металлургия». - 2011. - № 8. - С. 62-64.

11. Черменев Е.А., Меркер Э.Э., Сазонов A.B. Влияние окисленности металла и режима обезуглероживания на процессы плавки железорудного сырья в дуговой печи // Современная металлургия начала нового тысячелетия [Текст]: сб. науч. труд. Часть 1. -Липецк: Изд-во ЛГТУ, 2011.-С. 168-173.

12. Черменев Е.А., Меркер Э.Э. Условия образования гарниеажной корочки на поверхности окатышей и особенности их плавления в ванне дуговой печи // Современная металлургия начала нового тысячелетия [Текст]: сб. науч. труд. Часть 1. -Липецк: Изд-во ЛГТУ, 2011.-С. 181-187.

13. Черменев Е.А., Меркер Э.Э., Сазонов A.B. Об эффективности электроплавки металлизованных окатышей в дуговой печи с полыми электродами // «Образование, наука, производство и управление» (сборник научных и научно-методических докладов всероссийской научно-практической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов с международным участием). Т.1. - Старый Оскол: СТИ НИТУ МИСиС, 2011. -С. 119-124.

14. Черменев Е.А., Меркер Э.Э., Малахова О.И. Условия образования гарниеажной корочки па поверхности окатышей и особенности их плавления в ванне дуговой печи // «Образование, наука, производство и управление» (сборник научных и научно-методических докладов всероссийской научно-практической конференции преподавателей, сотрудников и аспирантов с международным участием). Т.1. - Старый Оскол: СТИ НИТУ МИСиС, 2011. - С. 124-129.

15. Черменев Е.А. К вопросу о моделировании тепловых потоков в дуговой печи при точечном излучении энергии // «Восьмая всероссийская научно-практическая конференция студентов и аспирантов с международным участием» (сборник научных трудов). Т.1. - Старый Оскол: СТИ НИТУ «МИСиС», 2012. - С. 177-181.

16. Меркер Э.Э., Черменев Е.А. Моделирование процесса обезуглероживания металла при электроплавке окатышей в дуговой печи // Энергосберегающие технологии в промышленности. Печные агрегаты. Экология: Сб. научн. тр. - М.: Изд-во ООО «ИТЕП». НИТУ «МИСиС», 2012. - С. 353-357.

17. Черменев Е.А., Меркер Э.Э., Коберник О.П. Об эффективности электроплавки стали при загрузке металлизованного сырья через трубчатые электроды в ванну дуговой печи // Бюллетень «Черная металлургия». - 2013. - №5. - С. 48-51.

18. Патент - 2487306 С1 РФ, МПК С21С 5/52. Устройство для загрузки металлизованных окатышей в дуговую печь / Меркер Э.Э., Карпенко Г.А., Черменев Е.А.; ФГАОУ ВПО НИТУ МИСиС. - № 2011144195/02; заяв. 02.11.2011; опубл. 10.07.2013, Бюл. № 19.

19. Патент - 2487172 С1 РФ, МПК С21С 5/52. Способ загрузки металлизованных окатышей в дуговую печь (варианты) / Меркер Э.Э., Карпенко Г.А., Черменев Е.А.; ФГАОУ ВПО НИТУ МИСиС. - № 2011144194/02; заяв. 02.11.2011; опубл. 10.07.2013, Бюл. № 19.

Подписано в печать 04.07.14. Формат 60 х 84/16. Бумага офсетная. Гарниту ра Times New Roman. Усл. печ. л. 1,4. Тираж 110 экз. Заказ № 106.

Отпечатано в типографии «Тонкие наукоемкие технологии» 309500, Белгородская обл., г. Старый Оскол,

м-н Макаренко, д. 40. Тел./факс: (4725) 42-35-29, 42-35-39, 32-25-29