автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Совершенствование энерготехнологического режима выплавки стали в ДСП-150 при использовании горячебрикетированного железа в завалке с целью повышения эффективности производства

На правах рукописи

Тимофеев Евгений Станиславович

I СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА ВЫПЛАВКИ СТАЛИ В ДСП-150 ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ГОРЯЧЕБРИКЕТИРОВАННОГО ЖЕЛЕЗА В ЗАВАЛКЕ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОИЗВОДСТВА

Специальность 05 16 02 - «Металлургия черных, цветных и редких металлов»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2007 г.

003070772

Диссертационная работа выполнена

на кафедре металлургии стали и ферросплавов Московского государственного института стали и сплавов (технологического университета)

Научный руководитель кандидат технических наук, профессор Кочетов А.И

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор Шалимов А Г кандидат технических наук Куликов А П

Ведущее предприятие ОАО «Уральская сталь»

Защита состоится «31» мая 2007 г в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212 132 02 по присуждению ученых степеней в области металлургии черных, цветных и редких металлов при Московском государственном институте стали и сплавов (технологическом университете) по адресу 119049, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, д 6, ауд 305.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИСиС

Автореферат разослан «27 » апреля 2007 г

Справки по телефону (495) 237-84-37, факс (495) 236-82-17

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212. 132 02 доктор технических наук, профессор

Семин А Е

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Недостаток качественного лома при выплавке электростали, повышенные требования к качеству выплавляемой стали, требуют применения альтернативных видов металлошихты таких, как металли-зованные окатыши (МОК) и горячебрикетированное железо (ГБЖ) Важнейшим направлением в дальнейшем развитии и совершенствовании электросталеплавильного производства, наряду с решением вопросов по улучшению качества металлопродукции, является разработка энергоресурсосберегающих технологий выплавки стали в дуговых печах с применением металлизованно-го сырья Высокая эффективность работы электропечей может быть достигнута на основе разработки оптимальных режимов электроплавки металлизо-ванной шихты Брикетирование повышает стоимость губчатого железа, но это оправдывается при определенных условиях, которые можно выявить путем экспериментов и опыта переработки в металлургических агрегатах В связи с необходимостью решения проблемы уменьшения энергозатрат на производство электростали и повышения ее качества, был проведен комплекс исследований по изучению закономерностей плавления шихты с использованием го-рячебрикетированного железа в завалке, по совершенствованию тепловой работы агрегата, отработке и оптимизации энерготехнологических режимов электроплавки

Для решения этой важной и актуальной задачи были изучены и исследованы теплотехнические и технологические особенности плавления шихты с применением ГБЖ, режимы выплавки стали и плавления МОК, основные теплофизические свойства брикетов

На основе тепло- и массообменных закономерностей электроплавки шихты в завалке и непрерывно подаваемых окатышей в жидкую ванну дуговой сталеплавильной печи требуется разработать математическую модель расплавления шихты для более эффективного производства стали

Цель работы. Проведение экспериментальных исследований в лабораторных и производственных условиях для определения физических свойств ГБЖ, изучение закономерностей при расплавлении шихты в завалке с использованием брикетов, влияний количества и металлургических свойств ГБЖ на ход выплавки стали и ее качество, на энерготехнологический режим. Оптимизация содержания горячебрикетированного железа в шихте в зависимости от физических и металлургических свойств его для достижения высоких технико-экономических показателей производства

Объект исследования. Технология плавки с применением горячебрикетированного железа в завалке и непрерывной загрузкой металлизованных окатышей в ванну, использованием продувки металла кислородом для интенси-

фикации процесса плавления металлизованных окатышей и контролем энерготехнологического режима электроплавки

Предмет исследования. Процесс расплавления шихты с использованием ГБЖ в завалке и плавления МОК, скорости расплавления, скорости обезуглероживания и расхода электроэнергии

Автором выносятся на защиту:

- экспериментальные данные о влиянии ГБЖ на длительность плавления шихты сложного состава, состоящей из лома и ГБЖ, и расход электроэнергии,

- экспериментальные данные по уменьшению концентрации цветных металлов, неметаллических включений стали, выплавленной с применением ГБЖ,

- расчет времени проплавления колодца, учитывающий различные виды шихтовых материалов в завалке и их расположение по уровням;

- расчет времени доплавления шихты, учитывающий излучения электродами и дугами при изменении степени открытости их, поглощения излучения средой,

- прогнозирование и регулирование содержания углерода по расплавлению шихты с наличием в ней горячебрикетированного железа различной степени металлизации, содержания углерода и массы,

- энерго- и ресурсосберегающий режим выплавки стали в ДСП-150, позволяющий оптимизировать технологический процесс электроплавки с использованием горячебрикетированного железа.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- установлены закономерности расплавления шихты сложного состава, состоящей из лома и ГБЖ, при их различных соотношениях в завалке, показано, что максимальная скорость расплавления наблюдается при наличии 0,3-0,4 доли ГБЖ от лома и 0,9-1,1 доли шихты в завалке от непрерывно подаваемых в жидкую ванну МОК;

- установлено, что при содержании 0,3-0,4 доли ГБЖ от лома плотность завалки достигает оптимальных значений, характеризующихся минимальным расходом электроэнергии на расплавление шихты,

- показано, что время проплавления колодца и расплавления металло-шихты зависит от послойного расположения металлического лома и ГБЖ в дуговой печи, так как взаиморасположение и расположение составляющих металлошихты изменяет насыпную плотность и средний состав металлоза-валки и, как следствие, ее теплотехнические параметры, такие как теплопроводность и теплоемкость,

- разработаны математическая модель, алгоритм и программа расчета на ЭВМ времени проплавления колодца и расплавления шихты в завалке, учи-

тывающие различные уровни расположения шихтовых материалов Данные модели можно использовать в производственных условиях, т к погрешность не превышает 10%,

- разработана программа, позволяющая прогнозировать и регулировать содержание углерода по расплавлению шихты с использованием ГБЖ

Практическая значимость. Предложен энергосберегающий режим электроплавки углеродистой стали с использованием ГБЖ в ДСП-150 для условий ЭСПЦ ОАО «ОЭМК», выявлен оптимум по количеству ГБЖ, подаваемых в завалку, разработаны алгоритм, программа и номограмма расчета науглеро-живателя в зависимости от свойств горячебрикетированного железа

Полученные в работе результаты по расплавлению шихты в завалке в ДСП-150 предложены для разработки оптимального энерготехнологического режима выплавки стали, позволяющего снизить энергозатраты на процесс, повысить энергетический кпд, производительность агрегата и качество выплавленной стали

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты данного исследования докладывались, обсуждались и положительно оценены в трудах Международной конференции ЛГТУ г Липецк 2005-2006 гг, научно-практической конференции ОЭМК 2005 г, Международной научной конференции СТИ МИСиС 2004 г, Международной научно-практической конференции г Губкин 2004 г, Международной конференции г Магнитогорск 2006 г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 печатных работ в научно-технических изданиях

Структура и объем работ. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 79 наименований и 3 приложений, содержит 147 страниц печатного текста, 64 иллюстрации и 26 таблиц

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЗАДАЧИ И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Анализ литературных источников показал, что металлизованное сырье находит все большее применение при электроплавке Большинство исследований проводилось с металлизованными окатышами

По результатам обзора отечественных и зарубежных источников научно-технической информации сделаны следующие выводы

1 Выплавка стали в дуговых печах с применением ГБЖ требует совершенствования электрических, тепловых и энергетических режимов электроплавки

2 Выплавка стали с использованием МОК дает возможность уменьшить содержание примесей цветных металлов и неметаллических включений по сравнению с выплавкой на ломе. Необходимо исследовать технологические режимы электроплавки с применением горячебрикетированного железа в завалке и выяснить его влияние на качество стали

3 Анализ существующих данных по теплообмену в рабочем пространстве дуговой сталеплавильной печи при расплавлении шихты с использованием ГБЖ показывает, что необходимо провести дальнейшие углубленные исследования по передаче тепла в системе дуга - газ - шихта, электроды - газ - шихта, с учетом различного вида шихты, в том числе и горячебрикетированного железа

4 Для расчетов по теплообмену в дуговой печи необходимо исследовать теплофизические свойства горячебрикетированного железа, такие как, удельная теплоемкость, теплопроводность, удельная теплота плавления.

5 Применение горячебрикетированного железа влияет на обезуглероживание жидкой ванны Необходимо согласовать содержание углерода в ГБЖ с концентрацией углерода по расплавлению шихты в завалке для интенсификации плавления МОК, непрерывно подаваемых в жидкую ванну

6 Выявить оптимальный уровень концентрации углерода по расплавлению шихты в завалке для повышения эффективности расплавления МОК

В связи с необходимостью решения проблемы уменьшения энергозатрат на производство электростали с применением в завалке горячебрикетированного железа, представляется необходимым провести исследование тепловой работы злектродуговой печи в период расплавления шихты и МОК

В соответствии с поставленными задачами настоящая работа была выполнена на 150 т дуговой печи ОАО «ОЭМК» с тщательным анализом энергетических, технологических и теплотехнических параметров по ходу плавок

ДСП-150 снабжена водоохлаждаемыми стеновыми и сводовыми панелями, трансформатором мощностью 90 MB А Технология выплавки стали предусматривает несколько энерготехнологических режимов плавления шихты, состоящей из 100% лома, лома и непрерывно подаваемых металлизованных окатышей в жидкую ванну, лома и ГБЖ в завалке, а также непрерывно подаваемых МОК по расплавлению шихты в завалке Так как в настоящее время выплавка стали ведется с добавлением, в основном, металлизованного сырья и с продувкой газообразным кислородом, то исследования проводились по второму и третьему режиму

Статистическую обработку опытных данных осуществляли с помощью пакета математических программ «Статистика» и «MathCad» по различным параметрам электроплавок Для получения этих данных использовали приборы и оборудования, имеющиеся в ЭСПЦ Пробы металла и шлака отбирали по ходу электроплавки с последующим их анализом на основные элементы химическими и физико-химическими методами

В целях разработки энергосберегающих условий электроплавки стали требуется проведение дальнейших исследований по углубленному изучению закономерностей расплавления шихты с применением ГБЖ в завалке и без него, влияния доли и химсостава брикетов на расплавление шихты в завалке и непрерывно подаваемых в жидкую ванну МОК

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА ЭЛЕКТРОПЛАВКИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГБЖ В 150-Т ДУГОВОЙ ПЕЧИ

Особенность электротехнологических режимов выплавки стали с использованием ГБЖ и без него в ДСП-150 в условиях ОАО «ОЭМК» можно проследить по данным рис. 1

По инструкции режимы практически не отличаются, но согласно рис 1 имеется существенное отличие во времени периодов плавки и в расходе энергии

В ходе исследования режимов выплавки стали в 150-т ДСП, были получены данные по изменению длительности плавки в зависимости от скорости плавления ГБЖ Длительность плавки подтоком зависит от скорости выплавки стали (рис 2), чем больше скорость выплавки, тем меньше время под током Но выплавка стали без ГБЖ, ведется при скорости 1,6-2 т/мин, а при использовании брикетов 1,1-2 т/мин Это говорит о том, что режим выплавки стали с использованием ГБЖ в завалке не отработан При скорости выплавки стали в тех же пределах, что и без брикетов длительность плавки под током меньше с применением ГБЖ.

плавление шихты в завалке

плавление окатышей

-1-Г

40 60 80 100

Время по ходу плавки, мин

плавление лома плавление окатышей

{

-120 •100 •80 | 1-60 S

-40 §• -20

2000 1800 1600 1400 1200 1000 I- 800

600 |

й

400 Я

*

200 4 0

120

/доводка

без ГБЖ (линия—) с ГБЖ (линия — )

Рис 1 Ход электроплавки с содержанием горячебрикетированного железа в завалке 20-30% от лома и без него в ДСП-150

13 И 1,5 1£ 17 tfl

Скорость выплавки стали, т/мин >4 с ГБЖ г2 » 0,909 без ГБЖ г2 « 0,643

Рис 2 Длительность плавки под током

Длительность плавки зависит от скорости расплавления шихты в завалке (рис 3), при этом длительность плавки с использованием ГБЖ меньше

11 1,3 17 19 21 2,3 25 27 29 3,2 3* 37 39 *1

Скорость плавления, т/мин -Чч С ГБЖ Г2 = 0,597 без ГБЖ X2 - 0 457

Рис 3 Зависимость длительности плавки под током от скорости плавления шихты

На длительность плавки под током влияет и скорость расплавления окатышей, но для плавок с использованием ГБЖ в завалке и без него длительность плавки отличается незначительно

Выплавка стали в ДСП-150 с использованием ГБЖ в завалке, может по-разному действовать на длительность плавки и ее скорость При незначительном содержании ГБЖ в шихте (до 20% от лома) скорость расплавления даже несколько уменьшается, при этом длительность плавки под током возрастает Это объясняется увеличением времени за счет расплавления пустой породы в брикетах С увеличением доли ГБЖ увеличивается насыпная плотность завалки, при этом увеличивается скорость расплавления шихты, несмотря на то, что количество пустой породы тоже увеличивается Но в этом случае больший вклад в скорость расплавления шихты вносит повышение насыпной плотности завалки за счет брикетов и улучшение теплообмена, чем время на расплавление пустой породы

Были отобраны паспорта плавок с содержанием доли ГБЖ 0,4 от лома в завалке и без ГБЖ с одинаковой массой завалки и жидкой стали, просчитано время нахождения плавки под током Для плавок с ГБЖ оно меньше на 4 минуты Обработка достаточно большого массива данных по расходу общей и удельной энергии на выплавку углеродистой стали в ДСП-150 (рис 4-5), по-

называет, что с увеличением расхода электроэнергии на расплавление шихты увеличивается расход электроэнергии на выплавку стали, но, с увеличением доли завалки к МОК, изменение расхода электроэнергии на расплавление шихты уменьшается Это связано с тем, что при уплотнении завалки увеличивается скорость расплавления шихты, но когда происходит чрезмерное уплотнение металлошихты в завалке (при содержании ГБЖ более 40% от лома), ухудшается теплообмен и расход электроэнергии увеличивается

06 06 ОТ 09

. ГОгбж+лом'ГОиок Г2 = 0,7567 >4. Шлои^иок

Г2 = 0,6336

Рис 4 Влияние содержания ГБЖ в завалке на расход электроэнергии при расплавлении шихты

Наименьший удельный расход на расплавление шихты наступает при

095 Ямалом7тмсж 5 1 1 (Рис ЗХгаетге;

ж+лом"масса завалки, тмок-масса

непрерывно подаваемых окатышей в жидкую ванну

Удельный расход электроэнергии, идущий на расплавление окатышей при использовании ГБЖ и без него, изменяется незначительно

При использовании ГБЖ в пределах 0,3 - 0,4 от лома и отношения массы шихты в завалке к массе окатышей в пределах 0,9 -1,1 сокращается удельный

кВт-ч

расход энергии на 8 ——— жидкой ванны

Влияние горячебрикетированного железа на качество и свойства стали может проявляться по-разному Прежде всего - это непосредственное влияние, обусловленное низким содержанием в металлизованном сырье примесей цветных металлов

О в О 7 О 8

о с ГБЖ л без ГБЖ ■ с ГБЖ R3 = О 6842

— с ГБЖ -без ГБЖ

без ГБЖ R5 = О 6029

Рис 5 Удельный расход электроэнергии на расплавление шихты в зависимости от отношения массы металлошихты в завалке к массе непрерывно подаваемых МОК

Результаты обработки печных проб перед выпуском показывают, что содержание таких цветных металлов, как никель, медь, молибден уменьшается при использовании ГБЖ в завалке (рис 6). Количество вредных примесей таких как, сера уменьшается на 11% и фосфора на 40% (рис 7, 8)

о 1 -

0,09 -0,08 0,07 0 06 -34 0,05 -ОСИ -0 03 -0 02 0,01

1

Ni Си Мо

■ без ГБЖ □ с ГБЖ

Рис 6 Содержание цветных металлов в стали 11

70

60

£ 50

пГ 40

ь

е 30

я)

ГГ 20

10

0

п.

п

0,016

0,004 0,008 0,01 2 Сера

С с применением ГБЖ ■ без ГБЖ

0,02

Рис 7 Содержание серы в стали

45' 4035-^ 30-£25-

О 0,002 0,004 0,006 0,008 0,01 0,012 фосфор

П с применением ГБЖ ■ без ГБЖ

Рис 8 Содержание фосфора в стали

Производительность ДСП-150 незначительно, но увеличивается с увеличением содержания ГБЖ в шихте При доле брикетов от лома равной 0,3 - 0,4, и массы шихты в завалке от МОК 0,9 - 1,1 сокращение времени плавки под током в среднем на 4 минуты, те производительность повышается на 3,6% Выход жидкого металла при этом практически не меняется

РАСЧЕТ ВРЕМЕНИ РАСПЛАВЛЕНИЯ ШИХТЫ

Период расплавления в дуговой сталеплавильной печи можно рассматривать как два последовательно протекающих периода период проплавления колодцев и период доплавления шихты

Применяя методику зонального расчета теплообмена излучением для периода расплавления шихты в ДСП-150 можно рассчитать распределение потоков излучения дуг на шихту в различное время, а затем определить время проплавления колодца и время доплавления шихты

При определении потоков излучения были приняты следующие допущения

1) Дуга и электрод в сталеплавильных печах представляют собой излучающие каналы цилиндрической формы,

2) Температуры дуги и электрода одинаковы по всей высоте цилиндра,

3) Теплоотдача осуществляется преимущественно излучением,

4) Дуга и электрод излучают как абсолютно черное тело, т е поверхностью Основой математической модели является излучение в системах ду га-газ-

шихта, элеетрод-газ-шихта для круговой зоны шихты под электродом и боковых поверхностей проплавляемого и проплавленного колодца Все названные системы предполагают деление поверхностей и объемов, участвующих в теплообмене, на элементарные площадки Во времени процесс также делится на малые промежутки Это деление является конечным и вместе с допущениями, принятыми при составлении модели и программы, определяют степень приближения модели к реальной печи

Для эффективного использования зонального метода объем шихты по высоте разбивали на пояса, шириной 0,1 м, ее поверхность на кольца шириной 0,074 м и на 12 секторов по 30° в секторе В результате такой разбивки шихта состоит из достаточного числа элементарных участков Используя математическую модель расчета излучения дуги и электрода через локальные коэффициенты с учетом поглощения части излучения окружающей средой, была составлена блок-схема и реализована в МаЛсас! Излучение от дуги при проплавлении колодца определялось по формуле

Ч.,к = /'к2 " к+ф)Ь (3-.п(ф))2]+ 1ап(Ф) (р1Л + 8т(р, к) со8(р, к - 2 <р))]

2 П г1к £д

где Б к - площадь поверхности элементарной площадки 1-го сектора, к-го кольца, цд - излучение дуги, г к - расстояние от элементарной площадки до дуги, /д- длина дуги, <р - угол наклона дуги к оси электрода, (31к - угол под которым видна дуга с центра элементарной площадки 1-го сектора, к-го кольца, а - коэффициент излучения дуги

Для электрода излучение определяли по формуле

Я?,к = К* + «п<РЧк -Р2,,к))

2 к гэш й3

где а - коэффициент излучения электрода, - излучение электрода, гэш- расстояние от электрода до элементарной площадки шихты, с1э - диаметр электрода, Р11к и р21к - углы между направлениями на элементарную площадку с концов диаметра электрода и перпендикуляром к площадке, р - угол, под которым виден электрод с центра элементарной площадки Данные углы выражали, используя математические формулы

Р1, к = агае г^ + г; Р2, к = агс(8 Г^~Г; ,

IД СОБ^ф] СОБ^ф]

Где гэ - радиус электрода Затем, применяя принцип суперпозиции, находили общее излучение от трех дуг и трех электродов на каждую выделенную площадку Используя математическую модель, было просчитано излучение с учетом поглощения его части окружающей средой Из расчета следует, что при проплавлении колодца необходимо учитывать поглощение излучения окружающей средой, так как оно составляет около 30%. Максимальное излучение падает на 1 и 12 сектор Это связано с тем, что электрод находится на середине первого сектора по условиям разбиения шихты на элементарные участки (рис 9)

Зная общее излучение на площадки, можно найти время проплавления каждого вида шихты в завалке и в целом колодца, но для этого необходимо знать значения теплофизических величин каждого вида шихты

В научной и технической литературе приведены значения физических величин по различным видам лома, стружки, пакетов, окатышей, но для ГБЖ данных не имеется, таких как теплопроводность, удельная теплоемкость, удельная теплота плавления и температуры плавления

В лабораторных условиях были проведены эксперименты по определению вышеперечисленных теплофизических величин

Теплоемкость определяли на приборе ИТ-С-400 по величине теплового потока, идущего на разогрев образца и времени запаздывания температуры его относительно температуры основания По результатам измерений и расчетов удельная теплоемкость брикетов равна 753 Дж/кгК

Теплопроводность измеряли на приборе ИТ-Х-400 Значение величины теплопроводности горячебрикетированкого железа равно 41 Вт/м К

Для определения температуры плавления и удельной теплоты плавления были проведены эксперименты по расплавлению брикетов в индукционной печи

Рис 9 Излучение дуги и электрода на шихту по секторам при плоплавлении колодца

0,001

-*—Излучение на"! кольцо —Излучение на 4 кольцо

—Излучение на / кольцо —

6 7 сектора

-о - • Излучение на 2 кольцо • - а - Излучение на 5 кольир ■ --а - Излучение на 8 мэльцо

-Излучение на 10 кольцо ---к - Излучение на 11 кольцо

- Излучение на 3 кольцо

— -»- - Излучение на 6 кольцо

- - * - - Излучение на 9 кольцо

С помощью термопары и расчетов выяснено, что температура плавления ГБЖ равна 1450°С, а удельная теплота плавления 276 кДж/кг Погрешность при определении теплофизических величин ГБЖ составила не более 7%

При выплавке стали использованием ГБЖ в ДСП-15 0, происходит одноразовая завалка до 80 т, куда входит горячебрикетированное железо, пакеты, стружка, легковесный и тяжеловесный лом Было просчитано количество поясов каждого вида шихты завалки, рассчитано тепловое излучение на шихту от электрода и дуги по поясам и определено общее время проплав-ления колодца Отличие от времени проплавления колодца по данным КИП менее 10%

Одновременно с опусканием электрода и увеличением глубины колодца на боковые стенки его, происходит излучение со стороны дуг и со стороны электродов Просчитаны тепловые потоки на элементарные площадки, находящиеся на стенках колодца при различном положении электрода (рис 10)

Излучение на верхние пояса больше, чем на нижние при опускании электрода, так как время излучения на нижние пояса гораздо меньше Ко времени опускания электродов до нижней точки, в ДСП-150 образуется один колодец Поэтому далее расчет излучения на боковые стенки колодца велся от 3 дуг и 3 электродов

Разбиение поверхностей и объемов шихты проводили аналогично первому, только центральная ось проходила не по оси электрода, а по оси ванны печи

При доплавлении шихты учитывали поглощение излучения окружающей средой Тепловое излучение на шихту со стороны дуг и электродов при ее доплавлении увеличивается с увеличением пояса (рис 11).

Время проплавления колодца в три раза меньше времени общего расплавления шихты, то есть доплавление имеет больший временной промежуток, при котором дуга находится на уровне нижних и средних поясов, а дуга составляет основную долю излучения Поэтому более тугоплавкую шихту необходимо помещать именно на этих поясах для более равномерного расплавления шихты по высоте печи

Считая, что металл расплавляется и стекает вниз, просчитывали, на сколько поднимался уровень жидкого металла, и при этом учитывали новое излучение дуг и электродов на площадки

Ошибка в расчете времени расплавления шихты по данным регистрации КИП составляет менее 10% (рис 12)

Данную математическую модель можно использовать для расчета времени проплавления колодцев и времени расплавления шихты в производственных условиях

Рис 10 Суммарное излучение от дуги и электрода на пояса при проплавлении колодца

Излучение,МВт 5.00

10 12 И 16 18 20

номер пояса,на котором находится электрод

- 1-ый пояс 4-ый пояс —6-ой пояс -х-8-ой пояс -14-ый пояс — 16-ыйпояс —18-ыйпояс —20-ый пояс

10-ый пояс — 12-ыйпояс

МВт 13,00 11,00 9,00 7,00 5,00 3,00

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 № пояса на который падает излучение Рис 11 Излучение дуг и электродов по поясам при доплавлении шихты

24 26 28 30 32

Фактическое время, мин

34

36

Рис 12 Результаты проверки модели на адекватность

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ И РЕГУЛИРОВАНИЕ СОДЕРЖАНИЯ УГЛЕРОДА В ДСП-150 ПО РАСПЛАВЛЕНИЮ ШИХТЫ

Для поддержания требуемой интенсивности тепло- и массообмена в ванне в период непрерывного расплавления МОК, необходимо, чтобы они содержали оптимальные, с точки зрения развития реакции обезуглероживания, количества кислорода и углерода.

Наличие достаточно высокого содержания углерода и кислорода в метал-лизованных материалах, в том числе и ГБЖ, способствует образованию пенистого шлака в результате интенсивного барботажа СО и стабилизации пены мелкими твердыми частицами сажи. Средняя скорость обезуглероживания

расплава зависит от начального содержания углерода в нем Минимальное, исходя го необходимости поддержания в период плавления МОК пенистых шлаков, содержание углерода должно быть более 0,6% Но высокая скорость обезуглероживания дает бурное выделение оксида углерода, при этом металл поднимается выше порога печи, дуги горят нестабильно в результате колебаний уровня металла Поэтому содержание углерода в расплаве перед подачей МОК должно составлять 0,6 - 0,8% от массы расплава (рис 13)

i 0,025 -, s

гР

° 0,02 -0,015 -0,01 -0,005 -

о -I-,-,-,-,-,-г-——,

О 0,2 0,4 0,6 0 8 1 1,2 „ 1,4

Снач %

Рис 13 Зависимость средней скорости обезуглероживания от начального содержания углерода в ванне

Недостаток углерода в шихте может быть компенсирован введением карбюризатора в ванну и в процессе расплавления металлизованных окатышей Присадка кокса в шлак или через продувочную систему повышает содержание углерода в расплаве, но при этом усвоение его может составлять 50% При расплавлении шихты с применением ГБЖ в завалке с содержанием углерода большим, чем содержание в ломе увеличивается концентрация углерода в расплаве

Этот метод отличается от других углеродных добавок тем, что не содержит летучих веществ и золы, на получение которой тоже необходим расход энергии Расход науглероживателя значительно снижается с использованием горячебрикетированного железа в завалке (рис 14)

Использование горячебрикетированного железа в завалке при выплавке стали в ДСП, позволяет уменьшить расход коксика на 40%

Для уточнения требований к содержанию углерода в горячебрикетиро-ванном железе был рассмотрен баланс этого элемента в ванне

Рис 14 Частотное распределение расхода науглероживатсля (1 - без использования ГБЖ, 2-е использованием ГБЖ)

Известный состав ГБЖ в сочетании с технологией плавления его позволяет достаточно точно регулировать содержание углерода по расплавлению как составом шихты, так и путем продувки ванны кислородом или введением карбюризатора по ходу плавления шихты Содержание угаерода по расплавлению шихты, включающей лом и брикеты, было рассчитано, исходя из соотношения этих компонентов в шихте и эквивалентных содержаниях углерода в материалах Масса науглероживателя находилась из формулы баланса по углероду

Сн%

где См % - концентрация углерода в ванне по расплавлению шихты, С % -концентрация углерода, содержащегося в ломе, АС % - разность концентраций углерода в брикетах и равновесного для них.

Равновесная концентрация углерода в брикетах определялась по формуле

Ср =(100-М)/5,25

где М- степень металлизации в %, 5,25 - эмпирический коэффициент, рассчитанный опытным путем, характеризующий равновесное содержание углерода в брикетах

Степень металлизации брикетов может изменяться от 94 до 97% Содержание углерода от 0,9 до 1,8%. Для расчета массы науглероживателя, необходимого для заданного содержания углерода по расплавлению шихты с использованием горячебрикетированного железа в завалке при различной степени металлизации, содержания углерода и массы брикетов, были составлены блок - схема, алгоритм расчета и номограмма (рис 15)

Рис 15 Номограмма определения расхода науглероживателя

Зная степень металлизации брикетов, содержания углерода в них и долю в завалке можно по номограмме определить оптимальное количество кокса для необходимого содержания углерода в расплаве шихты Если же значение углерода отрицательное, то необходимо пересчитать, сколько требуется внести окислителя

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО РЕЖИМА ЭЛЕКТРОПЛАВКИ В ПЕРИОД РАСПЛАВЛЕНИЯ ШИХТЫ С ПРИМЕНЕНИЕМ ГБЖ

Горячебрикетированное железо, в сочетании с обычным ломом обеспечивает возможность производства «чистой» стали, качество которой удовлетворяет требованиям мировых стандартов При использовании ГБЖ в завалке процесс окислительного рафинирования жидкой стали и плавления совмещается, в результате время электроплавки несколько уменьшается В окислительном рафинировании стали, важную роль играет процесс обезуглероживания Непрерывное выделение газообразного оксида углерода вызывает «кипение» жидкого металла, интенсивное перемешивание металла и шлака, ускорение расплавления металлизованных окатышей подаваемых непрерывно в ванну

Для повышения эффективности производства стали в ДСП-150 при использовании горячебрикетированного железа в завалке была составлена комплексная математическая модель

Математическая модель включала расчёт расхода науглероживателя с учетом концентрации углерода по расплавлению, расчёт радиационного обмена между шихтой, дугами, электродами и газом, расчёт времени проплав-ления колодца и расплавления шихты, выбор наиболее оптимального варианта по времени расплавления шихты в завалке с учетом экранирования дуг, за счет изменения последовательности уровней расположения шихты Был составлен алгоритм расчета минимального времени расплавления шихты (рис 16)

Результаты расчета показали, что время расплавления шихты может изменяться от 25 до 30 минут, по действующей технологии в зависимости от уровней расположения шихтовых материалов Расчет по представленной блок - схеме дает возможность заранее просчитать время расплавления шихты в завалке при любом соотношении лома различного вида и ГБЖ и при различном содержании углерода в металле по расплаву шихты

^ начало ^

Ввод данных не зависящих от хода плавки

Расчет расплавления шихты по I Определение г доплавленияшикгы

—----, кет ДГ> I

Вывод на печать

^ конец ^

Рис 16 Блок - схема оптимизации выплавки стали 23

Необходимо иметь в виду чтобы при выборе расположения составляющих металлошихты (лом, стружка, пакеты, ГБЖ) по слоям, расплавление стенок колодца по радиусу имело незначительную разницу во времени, для сохранения экранирования дуг на свод и стены печи Наиболее выгодный вариант распределения шихты по уровням дает экономию во времени 3 минуты и сохраняет более длительное время экранирования

При увеличении начальной концентрации углерода в расплаве увеличивается скорость обезуглероживания металла При увеличении скорости обезуглероживания увеличивается температура расплава, то есть дальнейшее плавление непрерывно подаваемых окатышей будет происходить более интенсивно По расчетам оно сократится на 3 минуты Используя ГБЖ в завалке, можно получить повышение эффективности производства, если доля брикетов в шихте составляет 0,3 - 0,4 от лома, а доля шихты 0,9 -1,1 от непрерывно подаваемых МОК При этом необходимо учесть, чтобы по расплавлению шихты содержание углерода находилось в пределах 0,6 - 0,8% Тогда экономится электроэнергия на 8 кВт ч/т и время нахождения плавки под током сокращается на 10 минут, за счет увеличения скорости расплавления шихты в завалке и непрерывно подаваемых МОК

Уменьшение поломок электродов связано с уменьшением вероятности обвалов шихты и более равномерным режимом съема мощности с ростом ГБЖ в шихте Действие указанных причин приводит к тому, что расход электродов при плавке с горячебрикетированным железом несколько ниже, чем без него

Абсолютная величина расхода электродов зависит в значительной мере от производительности печи Т к износ электродов зависит от времени нахождения их под током, а время нахождения под током уменьшается на 10 минут, то соответственно износ электродов уменьшается, по сравнению с выплавкой стали без ГБЖ

Для расчета экономической эффективности производства стали с применением ГБЖ, произведен анализ себестоимости выплавки углеродистой стали, в который входят

1) Анализ расхода шихты при использовании различной структуры шихты в завалке,

2) Анализ средней продолжительности плавки и, как следствие, производительности в зависимости от структуры шихты в завалке,

3) Анализ расходов по переделу

Анализ и расчеты показали, что использование ГБЖ в завалке при доле его 0,3 - 0,4 от лома и доле шихты 1,0 - 1,1 от МОК дает возможность повысить эффективность производства стали Годовой экономический эффект при этом более 100 млн руб в год по сравнению с используемым вариантом в шихте металлолома и подаваемых непрерывно в жидкую ванну МОК

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

В результате проведенных исследований в производственных и лабораторных условиях установлен ряд важнейших закономерностей электроплавки углеродистой стали с использованием горячебрикетированного железа в завалке в условиях ОАО «ОЭМК».

1 Установлены закономерности расплавления шихты с использованием ГБЖ в завалке При увеличении насыпной плотности шихты за счет ГБЖ максимальная скорость расплавления ее наблюдается при наличии доли ГБЖ от лома равной 0,3 - 0,4 и доле шихты от МОК равной 0,9 -1,1 при этом сокращается время расплавления шихты на 4 минуты

2 С применением горячебрикетированного железа в завалке в количестве 0,3 - 0,4% от лома повышается качество металла уменьшается содержание никеля на 15 %, меди на 27%, молибдена на 21 %, неметаллических включений серы на 11% и фосфора на 40%.

3 Теплообмен в шихте увеличивается при наличии ГБЖ, так как теплопроводность и насыпная плотность шихты выше, чем без брикетов, энергия на расплавление шихты уменьшается на 15 кВт ч/т завалки при оптимальном содержании брикетов в шихте

4 В лабораторных условиях были измерены и рассчитаны значения теп-лофизических свойств горячебрикетированного железа, которые использовались в расчетах оптимизации выплавки стали в ДСП-150

5 Разработаны математическая модель, алгоритм и программа расчета на ЭВМ времени проплавления колодца и доплавления шихты в завалке, учитывающая различные уровни расположения шихтовых материалов Данные модели можно использовать в производственных условиях, т к погрешность не превышает 10%

6 Составлена программа расчета науглероживателя, позволяющая прогнозировать и регулировать содержание углерода по расплавлению шихты с использованием ГБЖ На основе расчетов построена номограмма по определению расхода науглероживателя при расплавлении шихты в завалке, с различной степенью металлизации и массой горячебрикетированного железа, содержанием углерода в нем

7 На основе расчетов по обезуглероживанию металлической ванны в период непрерывной подачи окатышей выяснено, что при начальной концентрации углерода в расплаве 0,6% время расплавления окатышей, подаваемых непрерывно в жидкую ванну, уменьшается на три минуты по сравнению с содержанием углерода в расплаве 0,2%

8 Использование горячебрикетированного железа в завалке уменьшает расход науглероживателя на 40%, расход электродов на 9%

9 Предложена энергосберегающая технология электроплавки углеродистой стали в ДСП-150, которая позволяет повысить производительность печи на 9% за счет уменьшения времени нахождения под током на 10 минут, сэкономить электроэнергии на 8 кВт ч/т и в целом получить годовой экономический эффект более 100 млн рублей в год

ОСНОВНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В РАБОТАХ

1) Тимофеев Е С , Тимофеева А С Электроплавка углеродистой стали в большегрузных печах с применением ГБЖ Изв Вуз Черная металлургия №8 2005 —С 66

2) Тимофеев Е С , Кочетов А И, Тимофеева А С Применение ГБЖ при плавке стали Изв Вуз Черная металлургия № 12.2005 —С 66

3) Тимофеева А С , Тимофеев Е С Исследование выплавки стали при использовании горячебрикетированного железа в завалке. Металлург № 3 2007 —С 45

4) Тимофеев Е С , Корчагин А П , Тимофеева А С, Крахт Л Н Определение теплоемкости и теплопроводности ГБЖ Матер междунар конференции

— Старый Оскол, 2004 — Т. 2. — С 192-194.

5) Тимофеев Е С , Головко Е В Влияние горячебрикетированного железа на качество стали Современные наукоемкие технологии ДБЭК 1812 - 7320 № 5 2005 —Москва — С.29

6) Тимофеев Е С , Гончаров В В Расчет излучения электродов на шихту Научно-практическая конференция ОЭМК, 2005 —С 99-100

7) Тимофеев Е С , Кочетов А И , Тимофеева А С Исследование выплавки углеродистой стали в ДСП-150 с применением ГБЖ Сб научных трудов «Современная металлургия начала нового тысячелетия» — Липецк, 2005 —С 43-49

8) Тимофеев Е С , Кочетов А И , Тимофеева А С Зависимость длительности расплавления шихты от ГБЖ в завалке при выплавке стали в ДСП-150 Фундаментальные исследования ^БШ 812-7339 №11, «Академия естествознания», 2006 — С 37-38

9) Тимофеев Е С, Кочетов А И, Тимофеева А С , Федина В В Математическая модель расплавления шихты с использованием ГБЖ в ДСП-150 Сборник научных трудов — Липецк, 2006 — Т. 2 — С 79-84.

10) Тимофеев Е С , Кочетов А И , Тимофеева А С Современная металлургия нового тысячелетия Сборник научных трудов ЛГТУ, 2006 — Т 5

— С 188-194

Научное издание

Тимофеев Евгений Станиславович

Совершенствование энерготехнологического режима выплавки стали в ДСП-150 при использовании горячебрикетированного железа в завалке с целью повышения эффективности производства

Автореферат

Формат 60x84/16 Бумага офсетная Гарнитура Times Уел печ л 1,61 Тираж 100 экз Заказ № 100 от 24 04 07 г

Отпечатано в типографии «Тонкие Наукоёмкие Технологии» 309530, г Старый Оскол, Белгородская обл, м-н Макаренко, д 40 тел/факс (4725) 32-25-29

Введение

Глава I. Состояние вопроса, постановка задачи и методика исследования

1.1. Использование металлизованного сырья в электроплавке.

1.1.1. Выплавка стали с использованием в шихте горячебрикетированного железа

1.2. Влияние металлизованного сырья на качество выплавляемой стали

1.3. Расплав шихты в дуговой сталеплавильной печи

1.4. Обезуглероживание сталеплавильной ванны

1.5. Технико-экономическая эффективность производства стали из металлизованного сырья

1.6. Постановка задачи и методика исследования 50 1.7 Выводы

Глава II. Исследование энерготехнологического режима электроплавки стали с применением горячебрикетированного железа в 150-т дуговой печи

2.1. Технология выплавки стали с применением ГБЖ в 150-т дуговых печах.

2.2. Исследование технологического режима выплавки углеродистой стали в ДСП

2.3. Исследование расхода энергии на выплавку углеродистой стали в ДСП

2.4. Влияние горячебрикетированного железа на содержание включений в стали

2.5. Производительность ДСП

2.6. Выводы

Глава III. Расчет времени расплавления шихты

3.1. Излучение дуг и электродов на поверхность шихты под электродами в период проплавления колодца

3.2. Определение теплофизических свойств горячебрикетированного железа Лебединского горнообогатительного комбината

3.3. Определение скорости и времени проплавления колодца

3.4. Распределение излучения дуг на шихту, находящуюся на стенках проплавляемого колодца

3.5. Излучение электрода на боковые стенки проплавляемого колодца

3.6. Расчет времени доплавления шихты.

3.7. Выводы

Глава IV. Регулирование содержания углерода в

ДСП-150 по расплавлению шихты в завалке

4.1. Исследование скорости обезуглероживания расплава

4.2. Расчёт массы науглероживателя с учётом содержания углерода по расплавлению

4.3 Выводы

Глава V. Совершенствование энерготехнологического режима электроплавки в период расплавления шихты с применением горячебрикетированного железа

5.1. Совершенствование энергоресурсосберегающего режима выплавки углеродистой стали в ДСП-150 с применением в завалке горячебрикетированного железа

5.2. Расход электродов

5.3. Экономическая эффективность производства стали с применением горячебрикетированного железа

5.4 Выводы

Проведенные аналитические исследования перспектив производства металлопродукции позволяют сделать вывод о том, что в 2006 - 2010 гг. ожидается незначительный рост производства чугуна. Мировое производство чугуна может вырасти с 781 млн. т в 2005г. до 850 - 870 млн. т к 2010г. Прирост производства чугуна в основном происходит за счет Китая (на 28,2% по итогам 2005г.). В странах остального мира отмечается снижение выпуска чугуна по сравнению с аналогичным периодом 2004г. на 2,8% [1].

В России в 2006 - 2008 гг. ожидается незначительный рост производства чугуна: по прогнозу прирост производства доменного чугуна составит 0,6% в год. В 2009 - 2015 гг. производство чугуна будет снижаться на 1,1,5% в год, что будет вызвано замещением мартеновского производства электросталеплавильным[2] .В 2004 году примерно 1/3 мирового производства стали пришлась на электросталеплавильный способ выплавки-около 357 млн.т. Основными видами сырья в электрометаллургии является лом (78% в 2004г.), металлизованное сырьё (13%) и чугун (9%). К 2010 г. электросталеплавильные мощности в мире увеличатся на 90-95 млн.т.[3].

Потребление основных видов металлосодержащего сырья в мировом электросталеплавильном производстве, млн. т

2003 год 2004 год 2005 год Прогноз на 2010 год

Производство электростали 315,2 356,5 378 425-435

Металлосодержащее сырьё 346,8 392,1 418 475-480

Потребление лома 270 304 325 353-356

Потребление чугуна 24 28 29 33

Потребление металлизованно-го сырья 47,8 54,1 57 75-77

Чугун, произведенный по альтернативным технологиям 5 6 7 14

Рост производства стали в электропечах предопределяет существенное увеличение спроса на металлосодержащее сырьё. В 2004 г. общий объем мирового потребления лома составил около 450 млн. т, свыше 70% (304 млн.т) которого было использовано в электрометаллургии. Общий спрос на металлосодержащее сырьё в электрометаллургии в 2005 - 2010 гг. вырастет на 80 - 85 млн. т. При этом возможности по увеличению заготовки лома в мире достаточно ограничены. Более того, в начале 2010-х гг. вполне вероятно снижение объемов заготовки лома вследствие активного расширения использования современных технологий (например, непрерывной разливки стали), что приводит к сокращению образования оборотного лома на металлургических предприятиях [1].

Это позволяет прогнозировать рост спроса на другие виды металло-содержащего сырья, в первую очередь на металлизованное сырьё (метал-лизованные окатыши и горячебрикетированное железо). Кроме того, в настоящее время на рынке ощущается недостаточное предложение качественного лома.

Дополнительным фактором роста потребления металлизованного сырья является опережающий рост производства высококачественных сталей, в первую очередь специальных сталей, для производства которых металлизованное сырьё с его низким содержанием примесей является наиболее оптимальным.

В России с 2005 по 2009 гг. уже одобрены и реализуются проекты по строительству и реконструкции электросталеплавильных мощностей общим объемом 14,4 млн. т [2,3],что обусловит резкое увеличение спроса на металлолом. Спрос на лом в российской черной металлургии вырастет с 28 млн. т в 2004 г. до 30 - 35 млн. т в 2010 г. Однако, значительного увеличения заготовки лома с расчетом на экспорт и потребности внутреннего рынка не ожидается. Поэтому в среднесрочной перспективе возникает необходимость расширения использования металлизованного сырья в России.].

Таким образом, устойчивый и возрастающий спрос на металлизованное сырье в последние годы в мире объясняется следующими тенденциями развития сталеплавильного производства: увеличение доли выплавки стали в электропечах, связанное с меньшими капитальными затратами по сравнению с выплавкой стали в кислородных конвертерах, а также лучшими экологическими условиями производства; уменьшение доли оборотного лома вследствие широкого внедрения непрерывной разливки стали; возрастание спроса на лом из-за увеличения доли выплавки стали в электропечах; увеличение количества мини-заводов ,выплавляющих сталь в электропечах и выпускающих рентабельную продукцию высокого качества; ухудшение качества покупного лома.

Целесообразность применения металлизованного сырья в шихте электропечей вместо скрапа обусловлена его высокой чистотой по вредным примесям и примесям цветных металлов, однородностью по химическому составу и стабильностью свойств. Указанные свойства предопределяют расширение сортамента высококачественных сталей[4, 5]. . В последние годы наметилась тенденция перехода от производства ме-таллизованных окатышей к производству горячебрикетированного железа. Это обусловлено значительным снижением степени вторичного окисления брикетов по сравнению с окатышами, что обеспечило более надежную безопасность морских перевозок металлизованного сырья. Горячее брикетирование стране производится только на Лебединском ГОКе по технологии предоставленной фирмой «Коррегп».

В современных условиях развития электросталеплавильного производства актуальными являются задачи по разработке энерго- и ресурсосберегающих технологических режимов.

Высокая себестоимость металлопродукции обусловлена в значительной мере высоким расходом энергоресурсов при ее производстве. В этой связи разработка мероприятий по совершенствованию и оптимизации энерготехнологического процесса выплавки стали, например, в период расплавления шихты, с целью снижения затрат электроэнергии представляется весьма актуальными и необходимыми.

В связи с необходимостью решения проблемы по снижению энергии и ресурсосбережений, повышения качества показателей электростали с применением в завалке брикетов, представляется необходимым провести исследования теплового состояния шихты в период ее расплавления, изучить закономерности процессов нагрева и плавления шихты и металлизо-ванных окатышей при воздействии на нее энергетических факторов, разработать математическую модель теплового состояния шихты для производства электростали и определить экономическую эффективность при использовании горячебрикетированного железа.

Автором выносятся на защиту:

-экспериментальные данные о влиянии ГБЖ на длительность плавления шихты сложного состава, состоящей из лома и ГБЖ, и расход электроэнергии;

-экспериментальные данные по уменьшению концентрации цветных металлов, неметаллических включений стали, выплавленной с применением ГБЖ;

-расчет времени проплавления колодца, учитывающий различные виды шихтовых материалов в завалке и их расположение по уровням;

-расчет времени доплавления шихты, учитывающий излучения электродами и дугами при изменении степени открытости их, поглощения излучения средой;

-прогнозирование и регулирование содержания углерода по расплавлению шихты с наличием в ней горячебрикетированного железа различной степени металлизации, содержания углерода и массы;

-энерго- и ресурсосберегающий режим выплавки стали в ДСП-150 , позволяющий оптимизировать технологический процесс электроплавки с использованием горячебрикетированного железа.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

-установлены закономерности расплавления шихты сложного состава, состоящей из лома и ГБЖ, при их различных соотношениях в завалке, показано, что максимальная скорость расплавления наблюдается при наличии 0,3-0,4 доли ГБЖ от лома и 0,9-1,1 доли шихты в завалке от непрерывно подаваемых в жидкую ванну МОК;

-установлено, что при содержании 0,3-0,4 доли ГБЖ от лома плотность завалки достигает оптимальных значений, характеризующихся минимальным расходом электроэнергии на расплавление шихты;

-показано, что время проплавления колодца и расплавления метал-лошихты зависит от послойного расположения металлического лома и ГБЖ в дуговой печи, так как взаиморасположение и расположение составляющих металлошихты изменяет насыпную плотность и средний состав металлозавалки и, как следствие, ее теплотехнические параметры, такие как теплопроводность и теплоемкость. Разработаны математическая модель, алгоритм и программа расчета на ЭВМ времени проплавления колодца и расплавления шихты в завалке, учитывающая различные уровни расположения шихтовых материалов. Данные модели можно использовать в производственных условиях, т.к. погрешность не превышает 10%;

-разработана программа, позволяющая прогнозировать и использовать для регулирования содержания углерода по расплавлению шихты с использованием ГБЖ.

Практическая значимость Предложен энергосберегающий режим электроплавки углеродистой стали с использованием ГБЖ в ДСП-150 для условий ЭСПЦ ОАО «ОЭМК», выявлен оптимум по количеству ГБЖ, подаваемых в завалку, разработаны алгоритм, программа и номограмма расчета науглероживателя в зависимости от свойств горячебрикетированного железа.

Полученные в работе результаты по расплавлению шихты в завалке в ДСП-150 предложены для разработки оптимального энерготехнологического режима выплавки стали, позволяющего снизить энергозатраты на процесс, повысить энергетический к.п.д., производительность агрегата и качество выплавленной стали.

Апробация результатов работы. Основные положения и результаты данного исследования докладывались, обсуждались и положительно оценены в трудах Международной конференции ЛГТУ г. Липецк 20052006гг., научно практической конференции ОЭМК 2005 г., международной научной конференции СТИ МИСиС 2004 г., международной научной практической конференции г. Губкин 2004 г., международной конференции г. Магнитогорск, 2006г.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 19 печатных работ в научно-технических изданиях.

Структура и объем работ. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 79 наименований и 3 приложений, содержит 147 страниц печатного текста, 64 иллюстрации и 26 таблиц.

5.4. Выводы

В результате проведенных исследований и математического моделирования разработана методика регулирования содержания углерода по расплавлению шихты. Определено минимальное время доплавления шихты, а также предложена математическая модель для реализации данного режима плавки, обеспечивающего уменьшение потребления энергии и времени выплавки стали.

При использовании ГБЖ в шихте от 30 до 40 % и при учете что по расплавлению содержание углерода должно быть более 0,6 % и соответственно 0,9-1,1 шихты в завалке от МОК, то при этом происходит уменьшение удельного расхода науглероживателя на 40%, а также уменьшается расход электродов на 9 %.

Заключение

В результате проведенных исследований в производственных и лабораторных условиях установлен ряд важнейших закономерностей электроплавки углеродистой стали с использованием горячебрикетированного железа в завалке в условиях ОАО «ОЭМК»:

1. Установлены закономерности расплавления шихты с использованием ГБЖ в завалке. При увеличении насыпной плотности шихты за счет ГБЖ максимальная скорость расплавления ее наблюдается при наличии доли ГБЖ от лома равной 0,3 - 0,4 и доле шихты от МОК равной 0,9- 1,1 при этом сокращается время расплавления шихты на 4 минуты.

2. С применением горячебрикетированного железа в завалке в количестве 0,3 - 0,4% от лома повышается качество металла: уменьшается содержание никеля на 15 %, меди на 27%, молибдена на 21%, неметаллических включений: серы на 11% и фосфора на 40%.

3. Теплообмен в шихте увеличивается при наличии ГБЖ, так как теплопроводность его достаточная и насыпная плотность выше чем остальных видов завалки, энергия на расплавление шихты уменьшается на 15 кВт-ч/т завалки при оптимальном содержании брикетов в шихте.

4. В лабораторных условиях были измерены и рассчитаны значения теплофизических свойств горячебрикетированного железа, которые использовались в расчете оптимизации выплавки стали в ДСП-150

5. Разработаны математическая модель, алгоритм и программа расчета на ЭВМ времени проплавления колодца и доплавления шихты в завалке, учитывающая различные уровни расположения шихтовых материалов. Данные модели можно использовать в производственных условиях, т.к. погрешность не превышает 10%.

6. Составлена программа расчета науглероживателя, позволяющая прогнозировать и регулировать содержание углерода по расплавлению шихты с использованием ГБЖ. На основе расчетов построена номограмма по определению расхода науглероживателя при расплавлении шихты в завалке, при различных степени металлизации и массе горячебрикетированного железа, содержании углерода в нем.

7. На основе расчетов по обезуглероживанию металлической ванны в период непрерывной подачи окатышей выяснено, что при начальной концентрации углерода в расплаве 0,6-0,8% время расплавления окатышей, подаваемых непрерывно в жидкую ванну, уменьшается на три минуты по сравнению с содержанием углерода в расплаве 0,2%.

8. Использование горячебрикетированного железа в завалке уменьшает расход науглероживателя на 40%, расход электродов на 9%.

9. Предложена энергосберегающая технология электроплавки углеродистой стали в ДСП-150, которая позволяет повысить производительность печи на 9% за счет уменьшения времени нахождения под током на 10 минут, сэкономить электроэнергии на 8 кВт-ч/т и в целом получить годовой экономический эффект более 100 млн. рублей в год.

1. Аналитический обзор «Рынок железорудного сырья в мире, в России» апрель 2006г.,www interfintrtide.ru

2. Аналитический обзор «Железорудный сектор в России», апрель 2006г.www olma .ru

3. Аналитический обзор «Российская сталь» январь 2006г.www olma.ru

4. Неменов А.Н. Металлизованное сырье. Состояние и перспективы развития.// Горнорудная промышленность. Сырье. 2002. с 57-655. .Курунов И.Ф.Савчук Н.А Состояние и перспектива бездоменной металлургии железа. М., Черметинформация, 2002, 198 с

5. Лопухов Г.А., Кацов Е.З. // Производство чугуна и стали. Итоги ВИНИТИ науки и техники. -М.-1989г. -№19 с. 3-88

6. Сталь на рубеже столетий. Кол. Авт. Под научной ред. Ю.С. Ка-рабасова -М. МИСиС.-2001 г. 664с.

7. Candy С. Fines tip the balance. MBM, 2001,4.p.48-53

8. Tennies N.L., Mettius G.E., Korfle I.T. «Direct reduction technology for the new millennium» MRT international.2000, 6, p.60-65

9. Ю.Х.Б.Люнген,К.Кноп,р.Стеффен Современное состояние процессов прямого и жидкофазного восстановления железа.//Черные металлы, февраль 2007г,стр. 13-26.

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

11. Юсфин Ю.С., Гиммельфарб А.А, Пашков П.Ф. Новые процессы получения металла. М.,Металлургия, 1994,319 с

12. В.И. Трахимович, А.Г. Шалимов Использование железа прямого восстановления при выплавке стали М. Металлургия 1982 г. с. 245

13. Meissner D.C. Outlook for iron ore in dire in direct reduction skilling mining review.2000, 3, p3-8

14. Лисин B.C., Юсфин Ю.С. Ресурсо экологические проблемы XXI века в металлургии, М., Высшая школа, 1998,447.1 б.Интенсификация процессов выплавки стали на Оскольском металлургическом комбинате A.M. Фомин, О.А. Хохлов и др. /Сталь №1 1988 г. с. 40-42

15. Никольский Л.Е., Смоляренко В.Д., Кузнецов Л.К. Тепловая работа сталеплавильных печей М. Металлургия, 1981 г. с. 319

16. Бартенева О.И. Разработка энергосберегающего режима электроплавки металлизованых окатышей на базе исследований тепловых и массообменных процессов Канд. дис. Москва (МИСиС) 2001 г.-114с

17. Ю.И. Казанцев. Использование горячебрикетированного железа при выплавке стали в малотонажных дуговых печах.// Электрометаллургия №6. 2001г. с. 15

18. Д.С. Якшук, А.Д. Шевченко, И.А. Годинец, Выплавка кордовой стали с использованием в шихте горячебрикетированного железа// Электрометаллургия. №1 2003г. с. 22-24

19. Щедрин В.М. //Сталь №12. 2001г., с.8-12

20. Ralph М. Smailer and lack A. Price operating benefits of continuo usly charging prereduced ore briqe ettes to a 150-ton electric furnace. American Institute of Metallurgical Engineers NOH and BOSC Conference, April 7, 1970

21. Masloch,P.E.; Sittard, I., Walden K. Steel production using DRI/HBI «Stahl und Eisen» 26(2003) no. 3, p.54/62

22. Гиммельфарб А.И., Неменов A.M., Тарасов Б.Е., Металлизация и электроплавка железорудного сырья. М. Металлургия. 1981г. 151с

23. Barbi А. "Iron and Steel International", 1976г., v. 49., №4, p.257-262

24. Литвиненко Д.А., Оверченко З.В. //«Сталь», 1977г., №4, с. 355-359

25. Willars Н.М. ALSE Annual Convection, Cleveland, Ohia, 22 September 1975г.

26. Kay L.M. "Canadian Metallurgical Quai terly", 1976r., v.15, №1, p.41-47

27. Литвиненко Д.А., Марченко B.H. «Прямое получение железа и порошковая металлургия», М., «Металлургия», 1978(МЧМ СССР) 1975г., №12 с. 1127-1129

28. Sammt F. Hunte R. Handling and Shipping of DRI/HBI Wold Iron Ore 96, November 13-15, Orland, Frorida, p 277-284

29. Люкчек X., Штеффен P. Сравнение издержек чугуна и губчатого железа. Coremaking International, 1998,U.10.Nl,p.28-34

30. Маслох П., Зиггард И., Вальден К. Производство стали с использованием железа прямого восстановления и горячебрикетированного железа. Metal hirgical Plant and Technolody. Iune,2003.

31. Tanigaki L., Kobanashi I., Ito S. Direct Reduction Iron Production Processing Kocbelco technolody Review,2000,23,Apr.p.3

32. Derycke I., Bonte L. Ironmaking perspectives for cary 21-centure, 4ih European Coke and Ironing Congress. Iune 19-22,2000, Paris La De-fance France, Proceedings, Vol.2, p693-702

33. Dr.Sara Hormby anderson educated use of DRT/HBI improves eaf energy eiergy efficiency and yield and downstream operating results Midrex Technologies Inc., Charlotte, NC, UCA 2001

34. Макаров A.H., Свенчанский А.Д. Расчёт отражающей составляющей облучения футеровки от дуг, в дуговых сталеплавильных печах. Вып. 5. М.: Электротермия, 1983 г. С. 1-2

35. Макаров А.Н., Шишко М.Б.//Электротехника, 2002 г. №7, с. 55-59

36. Макаров А.Н. //Электрометаллургия, 2002 г., №5, с. 38-45

37. Макаров А.Н.Теплообмен в электродуговых и факельных печах и топках паровых котлов ТГТУ, Тверь, 2003 г.,348 с.

38. Васильев А.С., Гуревич С.Г., Иоффе Ю.С. Источники питания электротермических установок. М.: Энергоатомиздат, 1985г.,248с.

39. Макаров А.Н., Макаров Р.А., Чернышев Д.В. Влияние электрических параметров на технико-экономические показатели дуговых сталеплавильных печей //Электрификация металлургических предприятий Сибири. Вып. 9, Томск, Изд-во ТГУ, 2000г., с.99-107

40. С.Н. Падерин, Е.В.Феоктистов, С.И. Чемерис и др. Закономерности обезуглероживания стали в мощной 100-т дуговой пе-чи.//Сталь №11, 1992г. с.35-37

41. Фомин A.M. Физико-химические особенности плавления МОК, исследование их фазового состава и разработка технологии производства стали в дуговой печи с целью повышения технико-экономических показателей плавки: канд. дис. МИСиС.-2004.

42. Выплавка стали в высокомощных дуговых печах. Б.П. Крикунов, В.В. Парабин и др. // Сталь №4, 1986г., с.32-33

43. Федина В.В. Разработка энергосберегающего режима плавления металлизованных окатышей в дуговой сталеплавильной печи с целью повышения эффективности производства: канд. дис. МИ-СиС.-2004г

44. Кузнецов JI.H., Гейхман М.В. Совершенствование выплавки электростали с использованием металлизованного сырья при дуговом нагреве. М. 1982 (обзорная информация) ин-т «Черметин-формация» сер. «Сталеплавильное производство», вып.З., 30 с.

45. Падерин С.Н., Абрахам С.О. // И.В. Ч.М. №11, 1995г. с. 25-29

46. Н.В. Окороков. Дуговые сталеплавильные печи. М.: Металлургия, 1971г. 344 с

47. Рулев А.В., Плутотаренко В.Ф. и др. Энергетические особенности плавления шихты.// Сталь. №4, 1986, с. 41-43

48. М.А.Глинков Тепловая работа сталеплавильных ванн.Изд.»Металлургия»,Москва 1970г,407стр.

49. Повышение производительности электропечей уплотнением завалок при использовании металлизованного сырья. В.О.Красильников,С.П.Коршиков,Н.К.Анисимов./Сталь№9,1995г, стр.21-22.

50. Е.А.Венявкина Моделирование тепловой работы дуговой печи постоянного тока.ВНИИЭТО Математическое моделирование и расчеты ЭТО.Сб.научн.тр.М.Энергоатомиздат, 1989г.,стр. 15-20.

51. Тимофеев Е.С., Тимофеева А.С. Электроплавка углеродистой стали в большегрузных сталеплавильных печах с применением ГБЖ // И.В.Ч.М., 2005 г.№8, с. 66

52. Математическая модель расчета времени проплавления колодца при выплавке стали в ДСП-150» Тимофеев С.В., Кочетов А.И., Тимофеева А.С. ISS №1812-7339 №6 2006 Фундаментальные исследования. Академия естествознания. С. 61

53. Тимофеев Е.С., Тимофеева А.С., Головко Е.В. Исследование качества ГБЖ, применяемого для выплавки стали. Сб. научн. трудов к 50-летию Белгородской области, г. Старый Оскол, 2003 г., с. 138 -140

54. Тимофеев Е.С., Кочетов А.И., Тимофеева А.С. Применение ГБЖ при плавке стали //И.В.Ч.М. 2005г. № 12, с. 61

55. Тимофеев Е.С., Головко Е.В. Влияние горячебрикетированного железа на качество стали. Современные наукоёмкие технологии ISSN 1812-7320 №1, 2005г., Москва, с.29

56. Тимофеев Е.С., Кочетов А.И., Тимофеева А.С. Исследование выплавки углеродистой стали в ДСП-150 с применением горячебрикетированного железа // Сборник научн. трудов. ч.1 Липецк -2005г., с. 43-49

57. Тимофеев Е.С., Тимофеева А.С. Излучение дуг на скрап в ДСП -150 в первый период расплавления завалки с применением ГБЖ. Материалы конференции. Современные наукоёмкие технологии. М. №1,2005 г, с 27-28.

58. П.П. Осипов, В.П. Федяев. Об организации плавления ших-ты./Сталь №6, 1994 г., с. 41 44.

59. Тимофеев Е.С., Тимофеева А.С. Определение плотности излучения дуги на шихту в начальный период его расплавления В ДСП

60. Материалы конференции. Современные наукоемкие технологии. М. №1, 2005г., с. 188-191

61. Шамыгин Е.А., Тимофеев А.С. Расчёт излучения дуги на шихту при экранировании её электродом. Материалы конференции «Молодые ученые производству». г.Старый Оскол, 2005г., с. 105 -106

62. Гончаров В.В., Тимофеев Е.С. Излучение электрода на боковые стенки колодца. Материалы конференции «Молодые учёные-производетву», г. Старый Оскол, 2005г., с. 28-30.

63. Шишатский С.А., Тимофеев Е.С. Излучение дуги электродом на шихту при проплавлении колодца. Материалы конференции «Молодые учёные-производству». г. Старый Оскол, 2005г., с. 107-109.

64. Тимофеев Е.С., Крахт JI.H., Тимофеева А.С., Корчагин А.П. Определение теплоёмкости и теплопроводности ГБЖ ЛГОК. Материалы международной научной конференции СТИ МИСиС 20-22 октября 2004 г., т. 2, с. 192 194

65. Тимофеев Е.С., Кочетов А.И., Тимофеева А.С.Математическая модель проплавления колодца. Сборник научных трудов , СТИ МИСиС,г.СтарыйОскол,2006г.

66. Семендяев А.И., Тимофеев Е.С. Исследование излучения дуг на стенки колодца в период его расплавления. Материалы конференции «Молодые учёные -производству», г. Старый Оскол, 2005г., с. 81-83

67. Тимофеев Е.С., Кочетов А.И., Тимофеева А.С. Исследование выплавки углеродистой стали в дуговых печах с применением горячебрикетированного железа. Материал международной конференции. г. Липецк, 2005г., с. 34 39

68. Математическая модель расплавления шихты с использованием ГБЖ в ДСП-150 Тимофеев А.С., Кочетов А.И., Тимофеева А.С. Сб. научн. Трудов т.2, Липецк 2006г., стр.79-84

69. Тимофеева А.С, Тимофеев Е.С.Исследование выплавки стали при использовании горячебрикетированного железа в завал-ке.//Металлург,№3,2007г.,с.

70. Снитко Ю.П., Оржех И.М. // Сталь №8, 1989г., с. 34 36.