автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка методов расчета и способов снижения угара металла при выплавке стали в дуговой сталеплавильной печи

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. СОВРЕМЕННЫЙ ЭТАП РАЗВИТИЯ И РЕЗЕРВЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭЛЕКТРОСТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

1.1. Сравнение энергоемкости различных способов выплавки стали в ДСП

1.2. Рост удельной вводимой мощности при выплавке стали в ДСП

1.3. Применение альтернативных источников энергии при выплавке стали в ДСП

1.3.1. Применение топливно-кислородных горелок (ТКГ)

1.3.2. Использование тепла отходящих газов

1.3.2.1. Шахтные печи

1.3.2.2. Оптимизированные ДСП традиционной конструкции

1.3.2.3. Сравнение технических показателей эксплуатации ДСП различного типа

1.3.3. Продувка инертными газами

1.3.4. Донная продувка металла кислородом

1.4. Угар металла - основной сдерживающий фактор дальнейшей интенсификации электроплавки

Глава 2. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТОВ

2.1. Модель теплообмена в системе дуга - поверхность ванны - шлак

2.2. Дуговая сталеплавильная печь вместимостью 10 т (ДСП-10)

ЭСПЦ ОАО ММЗ «Серп и молот»

2.3. Проведение опытных плавок

2.3.1. Измерение температуры жидкого металла

2.3.2. Определение массы материалов

2.3.3. Подача охладителя на поверхность ванны внутри окружности распада электродов

2.3.4. Интенсивное перемешивание металла

2.3.5. Перемещение сопла кислородной трубки в объеме ванны

2.3.6. Обработка плавильных карт

2.3.7. Оценка возможных погрешностей эксперимента

Глава 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ ПЛАВКИ НА УГАР МЕТАЛЛА

3.1. Решение модельной задачи об испарении железа в среду собственного пара

3.1.1. Расчет плотности теплового потока излучением и теплопроводностью

3.1.2. Определение интенсивности и мощности потока испарения железа в среду собственного пара

3.2. Разработка метода расчета испарения в среду, содержащую посторонний (неконденсируемый) компонент

3.3. Решение задачи об испарении железа в среду собственного пара при подаче охладителя на поверхность ванны внутри окружности распада электродов

3.3.1. Постановка задачи

3.3.2. Расчетная модель: допущения, метод решения и результаты

3.4. Исследование качественной картины испарения на физической модели теплообмена

3.5. Выводы

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ СНИЖЕНИЯ УГАРА МЕТАЛЛА

В ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ

4.1. Определение угара металла по действующей в цехе методике 82 4.1.1. Определение угара железа, хрома, никеля, кремния, марганца

4.2. Подача охладителя на поверхность ванны внутри окружности распада электродов

4.3. Интенсивное перемешивание металла

4.4. Перемещение сопла кислородной трубки в объеме ванны

Глава 5. ВОЗМОЖНЫЕ СПОСОБЫ СНИЖЕНИЯ УГАРА МЕТАЛЛА ПРИ

ВЫПЛАВКЕ СТАЛИ В СОВРЕМЕННЫХ ВЫСОКОМОЩНЫХ ДСП

Основным конструкционным материалом в мире остается сталь, объемы производства которой непрерывно растут. Объем мирового производства стали в 2001 г. составил 850 млн т, в то время как алюминия было произведено в 30, а пластмассы в 5 раз меньше. На производство стали требуется меньший суммарный расход материалов (включая расходы на производство электроэнергии) по сравнению с другими продуктами: сталь - 5,34 т/т, алюминий - 60,8 т/т, пластмассы - 8,02 т/т [1].

При этом выплавка стали в дуговых сталеплавильных печах (ДСП) увеличивается опережающими темпами: в 1995 г. мировое производство стали составило 752 млн т, доля производства электростали — 32,6 %, в 2001 г. соответственно 850 млн т и 33,0 %.

По результатам опроса 55 фирм в электросталеплавильном производстве в мире только за последние 10 лет масса плавки увеличена на 28 % (с 86 до 110 т); мощность трансформатора повышена на 33 % (с 60 до 80 MB-А); повышена удельная электрическая мощность трехфазных печей на 28 % (с 590 до 758 кВ-А/т) и на 32 % печей постоянного тока (с 680 до 900 кВ-А/т); удельный расход кислорода увеличен на 25 % (с 24 до 30 м /т); температура стали на выпуске уменьшена на 25 % (с 1660 до 1635 °С); продолжительность плавки сокращена на 33 % (с 105 до 70 мин); средняя производительность печи повышена на 54 % (с 61 до 94 т/ч); удельный расход графитированных электродов уменьшен на трехфазных печах на 34 % (с 2,9 до 1,9 кг/т) и составляет 1,35 кг/т на печах постоянного тока; удельный расход электроэнергии снижен на 13 % (с 450 до 390 кВт-ч/т); расход огнеупоров уменьшен на 57 % (с 7 до 3 кг/т).

В Японии за последние 10 лет в электросталеплавильном производстве удельный расход электроэнергии на дуговых печах снижен на 13 % и достиг 367 кВт-ч/т, производительность печей повышена на 59 % (до 111 т/ч).

Прогнозируется к 2010 г. снижение удельного расхода электроэнергии до 267-314 кВт-ч/т и повышение производительности печей до 134-155 т/ч.

Для России также характерно увеличение объема выплавки стали в ДСП: в 1995 г. производство стали составило 51,3 млн т, доля производства электростали - 10,9 %, в 2001 г. соответственно 59 млн т и 15,0 % [2].

Опережающий рост выплавки стали в ДСП непосредственно связан с внедрением передовых технических и технологических разработок, позволивших улучшить технико-экономические показатели.

Повышение эффективности электросталеплавильного производства было и остается актуальной задачей, решению которой посвящено множество научно-исследовательских работ отечественных и зарубежных ученых. В России работы проводятся в следующих направлениях: применение альтернативных источников энергии; использование тепла отходящих газов; применение топливно-кислородных горелок; использование различных типов питающего тока; продувка металла в печи инертными газами; донная продувка металла кислородом.

Исследованием и разработкой способов интенсификации процесса выплавки стали в ДСП занималось и занимается большое количество отечественных и зарубежных ученых, к числу которых относятся: Морозов А.Н., Поволоцкий Д.Я., Зинуров И.Ю., Стомахин А.Я., Егоров А.В., Малиновский B.C., Фукс Г., Гелер К.

Данная работа посвящена исследованию повышения эффективности электросталеплавильного производства за счет снижения угара металла при выплавке стали в ДСП, включающего: разработку и исследование способов снижения угара металла в производственных условиях; изучение влияния энерготехнологических факторов плавки на угар металла; разработку рекомендаций о возможных способах снижения угара металла в современных высокомощных ДСП.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Выявлена зависимость угара металла при выплавке стали в ДСП от суммарной вводимой удельной мощности. С увеличением суммарной вводимой удельной мощности от 200 до 700 кВт/т угар металла увеличивается с 5 до 18%.

2. Разработана методика расчета интенсивности испарения металла в среду собственного пара и в среду, содержащую посторонний неконденси-руемый компонент. Полученные в результате исследования данные в виде зависимости интенсивности испарения от температуры межфазной поверхности для различных соотношений парциальных давлений паров металла позволяют определить режимы работы ДСП с минимальным уносом массы вследствие испарения.

3. Разработаны способы ведения плавки, направленные на снижение угара металла в ДСП: подача охладителя на поверхность ванны внутри окружности распада электродов; рассредоточение зоны взаимодействия кислородной струи с металлом в объеме ванны; перемешивание металла.

4. Проведено теплотехническое обоснование возможности снижения угара металла за счет подачи охладителя на поверхность ванны внутри окружности, распада электродов. Показано, что подача охладителя в указанную зону незначительно влияет на изменение скорости нагрева металла. Полученные данные исследования подтверждены результатами опытных плавок.

5. Предложенные способы снижения угара металла изучены как в лабораторных условиях на созданной физической модели теплообмена в системе дуга-поверхность ванны-шлак, так и на действующей ДСП-10 ЭСПЦ ОАО ММЗ «Серп и молот». По результатам проведенных в производственных условиях опытных плавок установлено, что применение в комплексе разработанных способов позволяет дополнительно получить 250 кг металла на каждой плавке без дополнительных затрат, т.е. снизить угар металла на 2 %.

1. Неделя высоких металлургических технологий. // Сталь, 2000, №2, с. 27-30.

2. Лопухов Г.А. Ближайшие перспективы развития мировой черной металлургии. // Электрометаллургия, 2001, №1, с. 7-31.

3. Киселев А.Д., Зинуров И.Ю., Галян B.C. Сравнение энергоемкости стали различных методов выплавки. // Сталь, 1999, №11, с. 31-33.

4. Киселев А.Д., Галян B.C., Зинуров И.Ю. Анализ энергетической эффективности способов сталеплавильного производства. // Сталь, 2001, №3, с. 32-33.

5. Юсфин Ю.С., Черноусов П.И., Неделин С.В. Ресурсо-экологическая оценка различных способов производства стали. // Металлург, 2001, №6, с. 42-44.

6. Лузгин В.П. Пути снижения ресурсо- и энергоемкости сталеплавильных процессов. // Металлург, 2000, №10, с. 33-34.

7. Еланский Д.Г., Еланский Г.Н. Тенденции развития технологии и оборудования электросталеплавильного производства. // Труды 6-го конгресса сталеплавильщиков, 2001, с. 188-197.

8. Лопухов Г.А. Состояние и тенденции развития электросталеплавильного производства. // Электрометаллургия, 2000, №7, с. 35-37.

9. Сосонкин О.М. Энерготехнологические особенности ведения плавки стали в ДСП с использованием охлаждаемых конструкций. // Электрометаллургия, 1998, №5-6, с. 7-9.

10. Поволоцкий Д.Я., Гудим Ю.А., Зинуров И.Ю. Устройство и работа сверхмощных дуговых сталеплавильных печей. М: Металлургия, 1990.- 176 с.

11. Морозов А.Н. Современное производство стали в дуговых печах. Челябинск: Металлургия, 1987. - 175 с.

12. Поволоцкий Д.Я., Гудим Ю.А. Выплавка легированной стали в дуговых печах. М: Металлургия, 1987. - 136 с.

13. Nakano Н., Uchida S., Arita К., Kuroda Н. // 6th European Electric Steelmaking Conference, Dusseldorf, June 13-15, 1999, p. 84-90.

14. Klein K.-H., Greinacher J., Kimmer K. // 6th European Electric Steel-making Conference, Dusseldorf, June 13-15, 1999, p. 91-97.

15. Фукс Г., Гелер К. Технология производства стали в электродуговых печах в XXI веке. // Сталь, 1999, №3, с. 20-23.

16. Далленогар С., Денье Г., Кремер А., Рот Дж. Эксплуатация электродуговой печи с предварительным нагревом лома на фирме «Cockerill Sambre». // Steel Times International (изд. на рус. яз.), 1998, №3, с. 6-7, 25.

17. Милюц В.Г., Бочарников А.Ф., Куликов В.В., Павлушин Н.В., Кулаков В.В. Разработка технологии выплавки стали в 100-т дуговых печах с использованием жидкого чугуна. // Труды 4-го конгресса сталеплавильщиков, 1997, с. 149-153.

18. Катунин А.И., Годик Л.А., Козырев Н.А., Обшаров М.В., Тиммерман Н.Н., Сычев П.Е. Технология выплавки рельсовой стали в дуговых электросталеплавильных печах с использованием жидкого чугуна. // Труды 6-го конгресса сталеплавильщиков, 2001, с. 261-265.

19. Годик JI.А., Козырев Н.А., Данилов А.П., Захарова Т.П., Тиммерман Н.Н. Использование жидкого чугуна при выплавке стали в дуговых электропечах. // Электрометаллургия, 2002, №2, с. 9-14.

20. Еланский Д.Г. Тенденции развития электросталеплавильного производства. // Электрометаллургия, 2001, №5, с. 3-18.

21. Michielan A., Fior A., Lavaroni G. // 6th European Electric Steelmaking Conference, Dtisseldorf, June 13-15, 1999, p. 78-83.

22. Dengler J.-M., Wolfram J., Kleingartner P., Moser H., Nix E.H. // 6th European Electric Steelmaking Conference, Dtisseldorf, June 13-15, 1999, p. 1-7.

23. Белитченко A.K., Кутаков A.B., Лозин Г.А., Сапрыгин А.Н., Черновол В.Н. Совершенствование технологии плавки в сверхмощной дуговой печи с использованием системы Данарк. // Труды 4-го конгресса сталеплавильщиков, 1997, с.128-132.

24. Белитченко А.К., Богданов Н.А., Кутаков А.В., Сапрыгин А.Н., Лозин Г.А. Развитие системы Данарк в процессе эксплуатации сверхмощной электросталеплавильной печи на Молдавском металлургическом заводе. // Сталь, 1999, №1, с. 28-32.

25. Фукс Г., Нархольц Т., Гелер К. Первый опыт эксплуатации шахтной печи «Фукс» с удерживающими пальцами в ОАО «Северсталь». // Электрометаллургия, 2001, №11, с. 11-15.

26. Лопухов Г.А. Передовые технологии электросталеплавильного производства. // Электрометаллургия, 1999, № 8, с. 2-40.

27. Мюллер Ф., Смоляренко В.Д. Некоторые тенденции развития сталеплавильного производства. // Электрометаллургия, 2001, №10, с. 15-23.

28. Malamakis El., Lemke J., Schmale K. // 6th European Electric Steel-making Conference, Dusseldorf, June 13-15, 1999, p. 69-72.

29. Еланский Д.Г. Высокие технологии производства стали в дуговых печах на мини заводе BSW. // Электрометаллургия, 1999, № 6, с. 11-12.

30. Гуляев М.П., Филиппов В.В., Эндерс В.В., Казаков С.В. Оптимизация технологии плавки в дуговой печи с донной продувкой инертными газами. // Сталь, 2002, №4, с. 55-58.

31. Гуляев М.П., Филиппов В.В., Эндерс В.В., Шумахер Эв., Шумахер Эд., Францки Р., Бренер X. Донная продувка металла инертными газами в дуговой сталеплавильной печи. // Электрометаллургия, 2001, №10, с. 10-15.

32. Гуляев М.П., Филиппов В.В., Эндерс В.В., Шумахер Эв., Шумахер Эд., Францки Р., Бренер X. Первые в СНГ системы донной продувка металла инертными газами в дуговой сталеплавильной печи. // Труды 6-го конгресса сталеплавильщиков, 2001, с. 308-313.

33. Стомахин А.Я., Лопатин О.П., Арутюнов В.А., Егоров А.В., Еланский Д.Г. Дожигание отходящих газов и донная продувка кислородом в период расплавления в 100-т дуговой печи. // Сталь, 1999, №2, с. 27-30.

34. Гроссе Х.-П., Шеттнер Х.-Т., Темль Ф. Современные обеспыливающие установки на электрометаллургических предприятих. //Металлург, 1994, №4, с. 15-17.

35. Бобкова О.С., Комельков В.К. Исследование условий образования иылегазовых возгонов при производстве легированной стали и ферросплавов. // Сталь, 1997, №10, с. 30-32.

36. Симонян Л.М., Яковлева И.А. Экологические критерии оценки различных технологических схем производства стали. // Электрометаллургия, 2002, №11, с. 39-43.

37. Платонов Б.П. Маслеев О.В. Котельников О.И. Исследование пылегазовых выбросов дуговых печей постоянного и переменного тока. //Литейное производство, 1996, №1, с. 26-28.

38. Дорошенко Н.В. Анализ состава пылегазовых выделений при газовой резке металлолома. // Сталь, 1997, №7, с. 74-76.

39. Свяжин А.Г. Механизм образования пыли при производстве стали. //Сталь, 1999, №12, с. 78-81.

40. Сафронов А.А., Исайкин А.Н., Рулев В.А., Лясковский А.А., Тазет-динов В.И., Чикалов С.Г. Повышение эффективности процесса плавки в 150-т ДСП с использованием КТУ «Мастер». // Электрометаллургия, 2002, №8, с. 13-16.

41. Катайцева Е.С., Кузнецов В.А., Катунин А.И., Родина Т.Н. О резервах экономии электроэнергии в электросталеплавильных цехах. // Изв.ВУЗов.Черная металлургия, 2001, № 6, с. 18-19.

42. Бургманн В., Лурье В., Рот Ж.-Л. Технологии загрузки современных электродуговых печей. // Труды 5-го конгресса сталеплавильщиков, 1999, с. 182-190.

43. Бургманн В., Лурье В., Рот Ж.-Л. Технологии загрузки современных электродуговых печей. // Металлург, 1999, №3, с. 41-44.

44. Бартенева О.И., Меркер Э.Э. Исследование процессов нагрева и обезуглероживания металла в 150-т дуговой печи с переменной массой ванны. // Изв.ВУЗов.Черная металлургия, 2001, № 9, с. 65-66.

45. Бартенева О.И., Меркер Э.Э. Исследование теплоусвоения сталеплавильной ванны в дуговой печи с изменяющейся массой металла. // Изв.ВУЗов.Черная металлургия, 2001, № 5, с. 74-75.

46. Анисимов Н.К., Затаковой Ю.А., Киргизов Б.В., Фомин В.И. Совершенствование работы дуговых сталеплавильных печей, использующих в шихте металлизованные окатыши. // Сталь, 2000, №7, с. 24-26.

47. Бреус В.М., Кац Я.Л., Клачков А.А. Оптимизация энерготеплового режима электроплавки. // Металлург, 1999, №3, с. 38-41.

48. Малиновский B.C. Дуговые печи постоянного тока нового поколения для сталеплавильного производства. И Труды 5-го конгресса сталеплавильщиков, 1999, с. 267-272.

49. Дубинская Ф.Е., Власова Г.Ф., Малиновский B.C., Мальцев Л.А., Липовецкий М.М. Уменьшение пылегазовых выбросов из электросталеплавильных печей постоянного тока. // Сталь, 1991, № 9, с. 85-86.

50. Стратегия развития черной металлургии России внедрение модульных технологий. // Сталь, 1999, № 6, с. 79-82.

51. Малиновский B.C. Дуговые печи постоянного тока нового поколения (ДППТНП) в сталеплавильном производстве. // Труды 6-го конгресса сталеплавильщиков, 2001, с. 213-220.

52. Савицки А. О выборе рациональной конструкции ДСП постоянного тока. // Электрометаллургия, 2000, №8, с. 13-19.

53. Афонаскин А.В., Андреев И.Д., Власов Н.С., Дородный В.Д., Ермошин А.Н., Князев Д.В., Малиновский B.C., Ярных Л.В. Первый этап освоения дуговой сталеплавильной печи постоянного тока в ОАО «Курган-машзавод». // Электрометаллургия, 2002, №4, с. 16-19.

54. Поволоцкий Д.Я. Основы технологии производства стали: Учебное пособие для вузов. Челябинск: Издательство ЮУрГУ, 2000. - 189 с.

55. Кузин С.А. Некоторые технические решения для снижения пылега-зовых выбросов при эксплуатации дуговых сталеплавильных печей. // Труды 3-го конгресса сталеплавильщиков, 1996, с. 170-172.

56. F. Porzucek, Y. Cucchiaro, Th. Bernet, Ph. Destannes, A. Gaggioli, D. Rocchi. Experimentation d'un four electrique etanche a Unimetal Neuves-Maisons. // La Revue de Metallurgie-CIT, November 1993, p. 1463-1473.

57. Батунер JI.M., Позин M.E. Математические методы в химической технике. Л.: Издательство «Химия», 1968. - 824 с.

58. Физические величины: Справочник /А.П. Бабичев, Н.А. Бабушкина, A.M. Братковский и др.: Под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1232 с.

59. Ключников А.Д., Иванцов Г.П. Теплопередача излучением в огнетехнических установках. М.: Энергия, 1970.

60. Макаров А.Н., Свенчанский А.Д. Оптимальные тепловые режимы дуговых сталеплавильных печей. М.: Энергоатомиздат, 1992. - 96 с.

61. Еланский Г.Н. Строение и свойства металлических расплавов. М.: Металлургия, 1991. - 160 с.

62. Воскобойников В.Г., Кудрин В.А., Якушев A.M. Общая металлургия. М.: Металлургия, 1998. - 768 с.

63. Никольский Л.Е., Смоляренко В.Д., Кузнецов Л.Н. Тепловая работа дуговых сталеплавильных печей. М.: Металлургия, 1981. - 320 с.

64. Лабунцов Д.А., Крюков А.П. Процессы интенсивного испарения. // Теплоэнергетика, 1977, №4, с. 8-11.

65. Кухлинг X. Справочник по физике; Пер. с нем.- М.: Мир, 1982.520 с.

66. Pong L., Moses G.A. Vapor condensation in the presence of a non condensable gas. // Phys. Fluids 29 (6), June 1986, P. 1796-1804.

67. Вегман Е.Ф. Краткий справочник доменщика. М.: Металлургия, 1981.-240с.

68. Телегин А.С., Швыдкий B.C., Ярошенко Ю.Г. Тепло-массоперенос. М.: Металлургия, 1995. - 400 с.

69. Теплотехника металлургического производства, т.1. Теоретические основы. Под. ред. В.А. Кривандина. -М.: МИСиС, 2002. 608 с.

70. Ландау Л.Д, Лифшиц Е.М. Гидродинамика. Серия «Теоретическая физика» т. VI. М.: Наука, 1988. - 736 с.

71. Теория тепломассообмена. Под ред. Леонтьева А.И. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1997. - 684 с.

72. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергоатомиздат, 1981. - 417 с.

73. Кириллов П.Л., Юрьев Ю.С., Бобков В.П. Справочник по теплогид-равлическим расчетам (ядерные реакторы, теплообменники, парогенераторы). Под общ. ред. П.Л. Кириллова. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 360 с.

74. Сосонкин О.М., Уйманов В.А., Петров А.А., Луканин Ю.В., Бюльгер С.Н., Искусных П.И. Патент № 2134304 РФ «Способ выплавки стали в дуговой сталеплавильной печи». // Б.И., 1999, № 22.

75. Сосонкин О.М., Уйманов В.А., Петров А.А., Луканин Ю.В., Бюльгер С.Н., Балдаев Б.Я., Васильев Л.М. Патент № 2132394 РФ «Способ выплавки стали в дуговой сталеплавильной печи». // Б.И., 1999, № 18.

76. ОАО ММЗ «Серп и молот». Сборник технологических инструкций. Выплавка стали и сплавов в основных дуговых электропечах. Общая технологическая инструкция (ТИ Д-1-99). -М., 2000. 173 с.

77. Журавлев В.Н., Николаева О.И. «Машиностроительные стали». Справочник. М.: Машиностроение, 1981. - 391 с.

78. Краткий справочник электросталевара: Справ, изд. Каблу-ковский А.Ф., Молчанов О.Е., Каблуковская М.А. М.: Металлургия, 1994. -352 с.120

79. Гасик М.И., Лякишев Н.П., Емлин Б.И. Теория и технология производства ферросплавов. -М.: Металлургия, 1988. 784 с.

80. Сосонкин О.М., Косырев А.И., Евдокимов М.В., Киселев Н.Н., Поляков Ю.В. Авторское свидетельство № 1212055.

81. Бигеев A.M., Бигеев В.А. Металлургия стали. Магнитогорск: МГТУ, 2000. - 544 с.

82. Щедров К.П., Гакман Э.Л. Жаростойкие материалы. Справочное пособие. Москва-Ленинград: Машиностроение, 1965. - 167 с.

83. Веронский А. Термическая усталость металлов. Пер. с польского. -М.: Металлургия, 1986. 129 с.

84. Андоньев С.М. Испарительное охлаждение металлургических печей. М.: Металлургиздат, 1961. - 447 с.