Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 5
Глава 1. Анализ состояния научно-технической проблемы, постановка задачи и методика исследования
1.1 Технологические особенности электроплавки стали в 150т дуговых печах ОАО «ОЭМК»
1.2 Энерготехнологические показатели электроплавки стали в дуговых печах
1.3 Эксплуатационные и теплофизические характеристики применения графитовых полых электродов в дуговой печи
1.4. Сравнительный анализ прочностных характеристик сплошных и трубчатых электродов дуговых сталеплавильных печей 30
1.5. К вопросу о кинетике и механизме плавления окатышей в ванне дуговой печи
1.6. Постановка задачи и методика исследования 40
1.7. Выводы по главе 1 43
Глава 2. Исследование процесса нагрева металла электрической дугой в печи с полым катодом
2.1 Сравнительная оценка эффективности применения графитированных электродов различных типов при выплавке электростали
2.2 Анализ эффективности работы дуговой печи на полых электродах
2.3. Экспериментальное изучение нагрева металла электрической дугой от полого электрода 68 2.4 Анализ теплоэнергетических показателей работы дуговой печи 64
2.5 Особенности передачи тепла от электрических дуг ванне расплавленного металла
2.6 К вопросу распределения температур в электродах дуговой сталеплавильной печи
2.7. Выводы по главе 2. 76
Глава 3. Исследование тепло- и массоотдачи и скорости нагрева окатышей при подаче в зону воздействия электрических дуг на поверхность ванны
3.1 Исследование на холодной модели процесса угара металла в дуговой печи 91
3.2 Исследование массообмена при плавлении металлизованных образцов в железоуглеродистом расплаве
3.3 Исследование теплообмена и скорости нагрева окатышей в зоне контакта их с поверхностью расплава
3.4. Исследование влияния шлакового режима на степень использования энергии электрической дуги 107
3.5. Исследование нагрева окатышей в зоне горения электрической дуги 102
3.6. Взаимосвязь шлакового режима с параметрами плавки окатышей в дуговой печи.
3.7. Выводы по главе 3.
Глава 4. Исследование режима плавления окатышей в зоне воздействия электрических дуг на поверхность расплава в печи
4.1 Об оптимизации режима подачи окатышей с целью снижения угара в дуговой печи
4.2 Исследование на физической модели процесса плавления окатышей в ванне дуговой печи
4.3 Экспериментальное изучение угара и плавления окатышей при воздействии на них электрической дуги
147 154 168 173 177
4.4. О кинетике диффузионного плавления при электроплавки окатышей в ванне дуговой печи
4.5. Анализ теплообмена в дуговой печи при плавке металлизованных окатышей
4.6. Выводы по главе 4 145
Глава 5.Совершенствование режима электроплавки окатышей в дуговой печи с целью энергосбережения
5.1. Анализ теплоусвоения ванны при различных расходах окатышей и скорости нагрева металла в печи
5.2 Об особенностях обезуглероживания металла при подаче ЖМО в зону электрических дуг
5.3. К вопросу об оптимизации электрического режима плавки в дуговой печи
5.4 Определение текущей температуры металла на основе расчета параметров теплового состояния ванны по ходу электроплавки
5.5. Оптимизация режима загрузки окатышей в ДСП на основе контроля теплового состояния ванны
5.6. Выводы по главе 5 186
Заключение и выводы по диссертации
Библиографический список 190
Приложения
Введение к работе
Актуальность работы
В современных условиях развития электросталеплавильного производства перспективным является технология переплавки железорудных метал-лизованных окатышей (ЖМО) в сверхмощных дуговых печах. Однако, ме-таллизованные окатыши являются достаточно энергоемкой шихтой в связи с наличием в них определенной доли оксидов железа и пустой породы, в основном оксида кремния. Повышенное содержание оксидов кремния и железа в окатышах повышает энергозатраты из-за дополнительного расхода на плавку электроэнергии и недостаточной степени металлизации железорудного сырья.
Проблему сокращения расхода электроэнергии при электроплавке ЖМО и уменьшения продолжительности работы дуговой сталеплавильной печи (ДСП) под током представляется возможным решить путем совершенствования процесса плавки окатышей при их непрерывной подаче в зону воздействия электрических дуг, что является существенным отличием от типовой технологии, когда электроплавка окатышей осуществляется вне зоны электрических дуг. В этой связи представляется необходимым и актуальным изучить тепловые и технологические особенности плавления ЖМО в ДСП с учетом их подачи в зону контакта электрических дуг с поверхностью металла, а также на основе установленных физико-химических и тепло-массообменных закономерностей переплавки окатышей в ДСП, разработать модель и алгоритм оптимального управления параметрами хода электроплавки стали.
Цель работы: разработка энергосберегающей технологии электроплавки стали, проведение экспериментальных исследований в лабораторных и производственных условиях для изучения закономерностей нагрева и плавления ЖМО при их непрерывной подаче в зону контакта электрических дуг с поверхностью металла в ДСП. Установление взаимосвязей между процесса ми тепло - и массообмена в системе металл-шлак, с учетом вспенивания шлака, обезуглероживания и нагрева расплава при различных режимах его подогрева трехфазными дугами переменного тока в условиях применения топ-ливно-кислородных горелок (ТКГ) в печи.
Средством достижения цели служат экспериментальные исследования, на основе которых разрабатывались технические рекомендации, направленные на создание эффективных технологических решений по данной проблеме и в соответствии с этим сформированы следующие задачи.
1. Создание новой методики и разработка экспериментальных установок для исследования процессов нагрева и плавления окатышей в зоне взаимодействия электрических дуг с расплавом при использовании различных типов электродов и ионизирующих газов.
2. На базе анализа экспериментальных данных разработка инженерного решения по созданию новых технологических приемов при переплавке ЖМО в зоне контакта электрических дуг с расплавом в ванне дуговой печи.
3. Исследование лабораторно-экспериментальным путем и пассивным методом процессов электроплавки стали при непрерывной подаче ЖМО через полые электроды в ванну печи для осуществления оптимального управления параметрами температурного, энерготехнологического и шлакового режимов с обеспечением высоких энергосберегающих технико-экономических показателей производства.
Научная новизна. 1. Установлено, что процесс нагрева металла электрической дугой от полого (трубчатого) электрода в потоке аргона ускоряется в 1,5-2 раза в сравнении с использованием сплошного типового электрода, что объясняется лучшими условиями ионизации и концентрации дуги на кромке отверстия в торце электрода. Установлены зависимости скорости прогрева металла от мощности электрической дуги, времени прогрева и расхода аргона, подаваемого в дугу в качестве ионизирующей добавки. 2. Показано, что скорость плавления окатыша зависит от концентрации углерода в нем, длины дуги, температуры расплава и интенсивности его перемешивания. Установлено, что остаточный размер окатыша в расплаве определяется временем пребывания в дуге и теплосодержанием окатыша, а также условиями массообмена и диффузии углерода в системе окатыш-расплав.
3. Показана принципиальная возможность увеличения на 10-20% скорости плавления ЖМО в расплаве ванны электропечной установки с трансформатором постоянного тока при одновременном снижении в 1,5-2 раза пылевыде-ления из зоны взаимодействия электрических дуг с расплавом за счет охлаждающего влияния окатышей.
4. Разработана математическая модель для определения энерготехнологических параметров плавки металлизованных окатышей при их подаче через полые электроды в электрические дуги, позволяющая осуществлять согласованный ход режимов плавления и загрузки ЖМО в ванну печи на основе учета скоростей нагрева и обезуглероживания металла, расхода электроэнергии и степени перегрева металла в ванне дугой печи.
Практическая значимость и реализация работы.
Предложен энергосберегающий режим переплавки ЖМО в 150 т. ДСП для условий ОАО «ОЭМК», заключающийся в непрерывной подаче ЖМО через полые электроды в зону контакта электрических дуг с поверхностью металла в ванну.
Разработан и предложен алгоритм модели и программы расчета основных показателей энерготехнологического режима плавления ЖМО на основе непрерывного учета данных непрерывной загрузки окатышей в ванну, параметров ее теплового состояния, процессов нагрева и обезуглероживания металла в условиях применения ТКГ для интенсификации режима наводки и вспенивания шлака.
Технологическая часть работы выполнена под руководством проф., к.т.н. А.И. Кочетова Полученные в работе научные результаты по механизму и кинетике плавления ЖМО и распределению тепловых потоков в системе металл-шлак по ходу электроплавки окатышей при различных электрических характеристиках процесса предложены для разработки оптимального температурно-шлакового и энергетического режимов плавки стали, позволяющих существенно снизить энергоемкость ее технологии, повысить энергетический режим к.п.д. и производительность агрегата, а также снизить пылевыделение из ванны и увеличить выход годного жидкой стали.
Достоверность результатов работы базируется на:
• опытных данных, полученных в лабораторных и промышленных условиях с применением компьютерной обработки результатов исследования;
• достаточной сходимости литературных данных и лабораторных экспериментов (расхождение менее 10%), а также последних с производственными данными;
• адекватностью математических моделей расчета параметров тепло-и массообмена в системе шлак-окатыш-металл и плавления ЖМО, а также расчетов тепловых потоков в системе дуга-электрод-расплав в ванне печи.
Апробация результатов работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на международных и региональных научно-практических конференциях «Образование, наука и производство» (г. Старый Оскол, 2005 г. и 2007г.); на научно-технической конференции «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства», (г. Череповец, 2005г.); на международных научно-технических конференциях «Современная металлургия начала нового тысячелетия» (г. Липецк, 2005 г. и 2006г.); на XIII международной научной конференции «Современные проблемы электрометаллургии стали», (г. Челябинск, 2007 г.); на И-ой научно-технической конференции ОАО «ОЭМК», (г. Старый Оскол, 2007г.); на IV-ой международной научно-практической конференции «Печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии», (г. Москва, МИСиС, 2008 г.); на X международном конгрессе сталепла вилыциков, (г. Магнитогорск, 2008г.); на научно-технических семинарах кафедр МСиФ (МИСиС, г. Москва) и МТП (СТИ (ф) МИСиС, г. Старый Оскол). Публикации. По наиболее важным материалам диссертационной работы имеется 9 публикаций в центральных и региональных изданиях, в том числе 5 статей в журналах, входящих в список ВАК.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 156 наименований и приложений, содержащих 195 страниц печатного текста, 69 иллюстраций PI 21 таблицу. На защиту выносятся:
• результаты экспериментальных данных по изучению процесса плавления ЖМО при их подаче в зону контакта электрических дуг с поверхностью металла в дуговой печи;
• теоретические положения по кинетике и механизму плавления ЖМО в расплаве с учетом их предварительного нагрева в электрической дуге после выхода из отверстия электрода;
• экспериментальные данные по изучению характеристик электрической дуги, сформированной на полом электроде при подаче через его отверстие окатышей и ионизированного газа.
• результаты расчетов теплопередачи в системе дуга-электрод-расплав и анализ теплообмена при подаче ЖМО в зону воздействия электрических дуг с поверхностью металла в ванне дуговой печи.
• энергосберегающий режим переплавки ЖМО в 150 т ДСП.на основе учета в математической модели управления плавкой электрических характеристик и разработка оптимального метода управления ходом электроплавки путем синхронизации режимов плавления и загрузки окатышей в ванну дуговой печи.
