Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Современное состояние проблемы, постановка задачи и методика исследования '. 11
1.1. Особенности технологии электроплавки стали при непрерывной подаче металлизованных окатышей в ванну дуговой печи 11
1.2 Анализ путей интенсификации энерготехнологического режима электроплавки стали с применением металлизованных окатышей 18
1.3 Анализ существующих моделей плавления металлизованных окатышей в ванне дуговой печи 34
1.4 К вопросу о кинетике и механизме плавления металлизованных окатышей в железоуглеродистом расплаве 37
1.5 Постановка задачи и методика исследования 42
1.6 Выводы по главе 1 43
Глава 2. Исследование процесса плавления металлизованных окатышей в расплаве методом холодного моделирования 45
2.1 Разработка методики и экспериментальной установки для исследования процесса плавления твердого шарообразного тела в условиях ванны дуговой печи 47
2.1.1 Разработка методики моделирования скорости плавления металлизованных окатышей в расплаве при вынужденной конвекции 48
2.1.2 Разработка методики моделирования скорости плавления металлизованных окатышей в расплаве при свободной конвекции 56
2.3. Анализ результатов исследования и вывод уравнения для определения скорости плавления металлизованных окатышей в ванне дуговой печи 65
2.4 Выводы по главе 2 67
Глава 3. Исследование механизма образования гарнисажной корочки при подаче окатышей в ванну дуговой печи 69
3.1 Методика и установка для экспериментального изучения механизма образования гарнисажной корочки 69
3.2 Исследование структуры металлизованных окатышей до погружения в железоуглеродистый расплав 72
3.3 Исследование структуры металлизованных окатышей после погружения в железоуглеродистый расплав 76
3.4 Исследование влияния свойств расплава на размеры образования гарнисажной корочки 88
3.5 Выводы по главе 3 94
Глава 4. Исследование процесса обезуглероживания электросталеплавильной ванны с изменяющейся массой металла в ней 96
4.1 Исследование закономерностей процесса обезуглероживания металла в ванне 150 т. дуговой печи 96
4.2 Использование математической модели режима обезуглероживания металла для разработки алгоритма прогнозирования поведения углерода в железоуглеродистом расплаве 118
4.3. Влияние режима обезуглероживания металла на уровень перемешивания ванны и интенсивность плавления ЖМО в дуговой печи. 126
4.4 Выводы по главе 4 131
Глава 5. Разработка рациональной технологии электроплавки стали на основе синхронизации процессов обезуглероживания, плавления и загрузки окатышей в печь 133
5.1 Исследование тепловых потоков в рабочем пространстве дуговой сталеплавильной печи 133
5.2 Разработка принципа управления эенерготехнологическим режимом электроплавки на основе учета параметров теплового состояния сталеплавильной ванны 146
5.3. Определение оптимальных параметров алгоритма управления скоростью загрузки металлизованных окатышей в ванну дуговой печи 151
Выводы по главе 5 153
6. Общие выводы и заключение 155
Библиографический список
- Анализ путей интенсификации энерготехнологического режима электроплавки стали с применением металлизованных окатышей
- Разработка методики моделирования скорости плавления металлизованных окатышей в расплаве при вынужденной конвекции
- Исследование структуры металлизованных окатышей до погружения в железоуглеродистый расплав
- Использование математической модели режима обезуглероживания металла для разработки алгоритма прогнозирования поведения углерода в железоуглеродистом расплаве
Введение к работе
С развитием общества непрерывно развивается металлургическая промышленность и машиностроение. В настоящее время с развитием новых технологий возникает необходимость в непрерывном повышении качества металлопродукции.
За последние 30 лет развития черной металлургии доля электростали непрерывно увеличивается. Это связано с увеличением объема выплавки стали в дуговых сталеплавильных печах (ДСП). При сохранении существующего объема производства на уровне 830 млн.т/год доля электростали в 2010 году в общем объеме производства прогнозируется на уровне до 40 % [1], а 2020 году доля электростали вырастет до 50% [2].
Российская черная металлургия в последнее время испытывает ряд трудностей связанных с ростом цен на энергоносители и электроэнергию. Снижение объема производства стали с 1991 года по 2000 составило 2,3 раза. При этом доля электростали сократилась соответственно с 16,1 до 12,5 % [3].
Причиной такого резкого спада с одной стороны является «старение отрасли». На многих предприятиях находятся в эксплуатации маломощные печи, работающие в основном по устаревшим технологиям без внепечной обработки [3, 4]. С другой стороны постоянное давление запада со стороны США и Европейского объединения угля и стали (European Coal and Steel Community), которое регламентирует условия, цены и объемы поставок по импорту стальных изделий из России в страны Европейского Сообщества, заставляет снижать темпы производства [5].
Исходя из этого, нужно разрабатывать мероприятия по совершенствованию существующей технологии электроплавки стали, с целью снижения удельной себестоимости готовой продукции. Для электросталеплавильного производства России актуален вопрос о значительном (не менее чем на 10 %) снижении удельного расхода электроэнергии на 1 т. стали (в переделе до 20 %) [6]. Модернизация
сталеплавильных агрегатов по мнению [3, 6] тем более необходима, так как удельный расход электросталеплавильного производства в последние годы вырос и составил на старых печах > 750 кВт-ч/т. стали в 2000 г., что на 15-40 % больше, чем в Японии и Германии и других старанах.
Если говорить о расходе электроэнергии в отрасли, то её удельный расход на единицу продукции в целом (в среднем) величина относительно устойчивая. Но для конкретного предприятия она не применима. Если взять полный перечень значений, то нельзя получить результат ни классическими, ни вероятностными методами. Более того, разработанные ранее статистические модели, полученные на основе ретроспективы, нельзя использовать на перспективу даже на 2-3 года, а тем более на 10 лет. Вероятностно-статистическая методика построения математических моделей, опирающаяся на технический и регрессионный анализы, должны быть заменены на методы, опирающиеся на иерархические информационные базы, «портреты» плавки, цеха, печи, на кластер анализ и более совершенные математические модели [4].
Снижение себестоимости продукции в первую очередь возможно за счет снижения расхода электроэнергии. Искать пути снижения следует [4, 6] на основе применения новых технологий и систем автоматизации. При этом важно осознать не только возможность арифметических расчетов, опираясь на технологические данные и физико-химические формулы (законы). Важнее увидеть новые закономерности, которые возникают при действии множества возможных условий, факторов, процессов [6].
Актуальность работы заключается в необходимости более детального изучения особенностей режима плавления металлизованных окатышей в ванне дуговой печи с учетом изменяющихся по ходу электроплавки процессов нагрева и обезуглероживания расплава при использовании дутьевых устройств для интенсификации энерготехнологического режима. Важным при этом является разработка математической модели и алгоритма управления режимом загрузки металлизованного продукта в синхронном
режиме со скоростью плавления ЖМО при соблюдении оптимального уровня перегрева металлической ванны над температурой ликвидуса стали, что позволит сократить расход электроэнергии на процесс и улучшить технико-экономические показатели электроплавки.
В этой связи требуется проведение экспериментальных исследований в лабораторных и промышленных условиях с целью изучения режима плавления металлизованных окатышей в ванне дуговой печи с учетом изменяющихся энерготехнологических параметров плавки. Кроме того, требуется уточнение некоторых теоретических представлений о процессах плавления ЖМО нагрева и обезуглероживания металла в ванне дуговой печи для построения алгоритма управления на основе математической модели режима загрузки металлизованных окатышей в ванну дуговой печи.
Объект исследования . Дуговая сталеплавильная печь с применением непрерывной загрузки металлизованных окатышей в ванну, использованием различных способов продувки металла кислородом для интенсификации процесса плавления ЖМО и контролем параметров энерготехнологического режима электроплавки.
Предметом исследования Процесс плавки металлизованных окатышей в ванне дуговой печи с учетом анализа влияния гидродинамики сталеплавильной ванны, скорости обезуглероживания расплава и особенностей теплового состояния дуговой печи в период окислительного рафинирования металла.
Целью работы является разработка энергосберегающей технологии электроплавки металлизованных окатышей на основе интенсификации процессов плавления ЖМО и оптимизации энерготехнологического режима электроплавки, а также повышение производительности агрегата, снижение расхода электроэнергии на процесс плавки и улучшение технико-экономических показателей производства.
* Теплофизическая часть работы выполнена под руководством профессора, доктора технических наук Меркера Э.Э.
Уточнение теоретических представлений о кинетике и механизме плавления металлизованных окатышей с учетом образования гарнисажной корочки на его поверхности в условиях применения ТКГ и кислорода для интенсификации процессов нагрева и обезуглероживания металла в ванне дуговой печи.
Проведение исследований, направленных на уточнение существующих теоретических представлений о механизме обезуглероживания сталеплавильной ванны при размещении металлизованного сырья на поверхности границы раздела шлак-металл, и с учетом особенностей теплообмена в системе дуга-шлак-металл.
Научная новизна.
- установлены закономерности образования гарнисажной корочки на
поверхности металлизованного окатыша при его контакте с расплавом,
нагреве и плавлении в ванне дуговой печи в зависимости от теплофизических
и геометрических характеристик (Fo) материала и параметров теплового
состояния ванны (Тм, АТр);
- впервые определены кинетические константы (є, у) процесса
обезуглероживания металлической ванны при непрерывной подаче
металлизованных окатышей в печь в докритических областях концентраций
углерода, рассчитаны параметры термодинамического равновесия системы
углерод - кислород и определены значения критерия интенсивности
перемешивания сталеплавильной ванны, а также установлен характер его
влияния на скорость плавления металлизованных окатышей;
разработана методика физического моделирования и установка для изучения процесса плавления металлизованных окатышей в ванне дуговой печи и установлены закономерности влияния массового барботажа расплава пузырями СО и теплофизических параметров расплава на скорость плавления и усвоения окатышей в ванне;
выявлены новые характерные зоны в структуре металлизованного окатыша, позволяющие судить о закономерностях его плавлении в
железоуглеродистом расплаве, и на компьютерной установке в комплекте с микроскопом исследована их структура;
- получена аналитическая зависимость плотности результирующего
теплового потока на поверхность металлической ванны от поверхности свода
и стен печи в интегральной форме по закону Ламберта с учетом
конструктивных особенностей свода дуговой и уровня погружения
электрических дуг в системе металл-шлак;
- разработана теплофизическая модель процесса электроплавки ЖМО и
создан алгоритм управления системой загрузки металлизованных окатышей в
ванну печи в синхронном режиме со скоростью плавления окатышей при
оптимальных значениях параметров теплового состояния ванны.
Практическая значимость.
- Полученные в работе научные результаты использованы для
разработки энергосберегающей технологии электроплавки ЖМО в ванне
дуговой печи, основанная на использовании принципа равенства скоростей
загрузки и плавления окатышей по ходу процесса при оптимальных
значениях параметров теплового состояния сталеплавильной ванны.
- Разработана усовершенствованная математическая модель процесса
обезуглероживания металла в ванне дуговой печи, созданы алгоритм и
программы для расчета кинетических констант режима обезуглероживания,
что, позволяет с большей точностью прогнозировать содержание углерода в
железоуглеродистом расплаве по ходу плавки ЖМО при различных методах
интенсификации процесса.
- Предложена к использованию технология электроплавки ЖМО в ванне
дуговой печи, основанная на том, чтобы осуществлять непрерывную подачу
окатышей в печь при значениях концентрации углерода в металле в пределах
0,15-^0,20 %, т.е. в той области [С], где наблюдаются высокие значения
критерия перемешивания ванны, что способствует снижению длительности
плавки под током, уменьшению расхода электроэнергии и улучшению
технико-экономических показателей производства.
На защиту выносятся.
- экспериментальные данные и теоретические положения о влиянии
теплофизических параметров расплава на скорость плавления
металлизованных окатышей при наличии гарнисажнои корочки и без нее;
- экспериментальные исследования процесса обезуглероживания
металла в ванне дуговой печи по ходу плавления металлизованных окатышей
и оценка скорости их усвоения металлом в зависимости от параметров
теплового состояния агрегата;
- экспериментальные данные по механизму образования и скорости
плавления гарнисажнои корочки на поверхности металлизованного окатыша
в зависимости от теплофизических свойств окатышей и железоуглеродистого
расплава;
теплофизическая модель процесса электроплавки ЖМО, учитывающая параметры режима нагрева и обезуглероживания металла при непрерывной загрузке металлизованных окатышей с прогнозированием содержания углерода в металле при сверх и докритических его концентрациях;
комплексная математическая модель и алгоритм управления процессом загрузки металлизованных окатышей в ванну дуговой печи в синхронном режиме со скоростью плавления ЖМО, учетом состояния гидродинамики сталеплавильной ванны, процессов нагрева и обезуглероживания расплава.
Апробация результатов работы.
Основные результаты работы докладывались, обсуждались и положительно оценены в трудах международных научных и научно-практических конференциях «Современные сложные системы управления», г. Старый Оскол, ноябрь 2002 г.; «Автоматизироанные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии», Москва, декабрь, 2002 г.; «Современная металлургия начала нового тысячелетия», г. Липецк, 2005 г.; в пятой международной научно технической конференции «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства» г. Череповец 24-25 октября 2005 г.; III международной научно-практической конференции
«Металлургическая теплотехника: история, современное состояние, будущее. К столетию со дня рождения МЛ. Глинкова», Москва, февраль, 2006 г.; IX Международном конгрессе сталеплавильщиков, г. Старый Оскол, октябрь 2006 г.; на научных семинарах кафедр ЭМСиФ МИСиС и МТП СТИ (ф) МИСиС.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы (93 наименования), приложения и изложена на 162 страницах, содержит 22 таблицы и 72 рисунка.
Анализ путей интенсификации энерготехнологического режима электроплавки стали с применением металлизованных окатышей
По производительности дуговая сталеплавильная печь непосредственно приблизилась к конвертеру эквивалентного размера благодаря совершенствованию технологии изготовления футеровки и водоохлаждаемых элементов для конструкций ДСП, а также использованию более высоких электрических мощностей и прямому нагреву лома за счет тепла отходящих газов [25, 26]. При выплавке стали в электропечах можно достигнуть такого же содержания углерода и азота, как и в конвертерной стали, при условии применения шихты с большим количеством заменителей лома, таких как жидкий и твердый чугун и металлизованная шихта [8, 27-29]. Однако, при использовании такой шихты в ДСП, требуется решать следующие задачи: - поддерживать высокую производительность и обеспечивать высокую степень рафинирования; - получать малые содержания азота, углерода и серы; - работать с увеличенным количеством шлака при высокой степени его восстановления; - удовлетворять ужесточаемым требованиям к снижению уровня загрязнения окружающей среды.
На конкурентноспосбность процессов производства стали значительное влияние оказывает эффективность использования энергии [30]. При сравнении энергетической эффективности (ЭЭф) различных сталеплавильных переделов наиболее объективным и наглядным показателем можно считать отношение энтальпии продуктов плавки - жидкой стали и шлака (іс ш) - к затратам первичной энергии на выплавку стали. Эти затраты первичной энергии включают тепловую энергию, используемую как в сталеплавильном производстве, так и при производстве материалов, в том числе энергоносители (топливо, электроэнергия), включая транспортировку и подготовку к производству (Зп.э) [31]: ЭЭФЧ,Ш-Ю0/3Г,.Э,%. (1.7)
Приняв при расчете іС)Ш=450 кВт-ч/т в работе [32] были получены следующие значения коэффициента энергетической эффективности (ЭЭф) для различных процессов.
Из данных таблицы 1 следует, что в электросталеплавильном процессе большие значения имеют место в ДСП с шахтным подогревом шихты. Так, эффективный подогрев лома теплом отходящих газов позволил при выплавке стали в шахтных печах конструкции «Фукс Системтехник» не только повысить ЭЭф, но и сократить долю электроэнергии в общем приходе тепла с 60 до 51 % [33, 34], но и улучшить экологические параметры сталеплавильного производства [35]. Снижение затрат первичной энергии, по сравнению с обычными печами, в 1,5-1,6 раза может быть достигнуто двухстадииным процессом в топливно-дуговом сталеплавильном агрегате (ТДСА) конструкции НИИМ [32].
Экономию энергии обеспечивают также донная продувка жидкого металла в ДСП инертными газами [36, 37] и как элемент технологии высшего уровня решает проблемы интенсификации процесса и повышения качества выплавляемой электростали без увеличения тепловых нагрузок на водоохлаждаемые конструкции печей.
Применение донной продувки металла инертными газами позволяет за счет усреднения ванны по температуре и химическому составу в результате ускорения массообменных процессов, снизить продолжительность нахождения под током и удельный расход электроэнергии [37], а также уменьшить содержание вредных примесей (серы, фосфора и азота). Также применение данной технологии позволяет [36] снизить расход извести за счет более глубокой дефосфорации и десульфурации металла.
Кроме указанных технологий, по улучшению технико-экономических характеристик электросталеплавильного производства, в последнее время широкое распространение получила технология выплавки стали с оставлением части шлака и металла в печи, так называемая технология с жидким стартом или с отсечкой печного шлака [38, 39], что позволяет снизить продолжительность плавки на 7 мин, а электроэнергии на 6 кВт-ч/т стали для 100-т дуговой печи. Благодаря исключению операции раскисления шлака в печи и бесшлаковому выпуску металла снижается сквозное усвоение марганца на 10-15 % и, как следствие увеличивается расход марганцевых сплавов. Однако при этом возрастает степень усвоения кремния из кремнесодержащих сплавов, а степень дефосфорации металла повышается на 8 %, что объясняется значительным уменьшением интенсивности процесса восстановления фосфора из печного шлака.
Снижение продолжительности электроплавки, за счет применения кислорода для продувки сталеплавильной ванны, требует наличия в шихте достаточного количества лома с высоким содержанием углерода. Все больше находит применение жидкий чугун, как шихтовая составляющая электросталеплавильного процесса [40-45].
Данная технология позволяет: ускорить процесс плавки за счет физического и химического тепла; снизить расход электродов в связи с ускорением плавки и уменьшением поломок из-за негабаритной шихты; снизить расход электроэнергии. Заливка чугуна в ДСП осуществляется в основном по трем основным вариантам: 1. сверху из ковша через шиберный затвор и сливной носок; 2. через рабочее окно печи посредством съемного желоба; 3. через стационарный желоб по технологии фирмы «Пауль Вюрт» [26] Наиболее распространены в нашей стране первый вариант [44, 45]. Исследования, проведенные в работе [41] для 4-вариантов загрузки чугуна в ДСП, представлена в таблице 2: 1. заливка чугуна в печь после проплавлення завалки и подвалки (завалка и подвалка в связи с неподготовленностью лома); 2. заливка чугуна в печь после проплавлення колодцев и «осаждения» шихты завалки (одна завалка); 3. плавки по вариантам 1 и 2 с низким содержанием углерода при расплавлении; 4. заливка чугуна после проплавлення завалки с последующей подвалкой лома на залитый в печь жидкий чугун;
Разработка методики моделирования скорости плавления металлизованных окатышей в расплаве при вынужденной конвекции
Исходя из технологической особенности производства стали на ОАО «ОЭМК», с применением непрерывной загрузки металлизованного сырья в ванну дуговой печи [55], окатыш падает в расплав и проходит через слой шлака. Процесс плавления ЖМО, очевидно сосредоточен преимущественно на границе шлак-металл. Данное предположение можно подтвердить путем рассмотрения соотношения плотностей шлака, металла и самого окатыша,
Усвоение металлизованных окатышей металлической ванной дуговой печи может рассматриваться как диффузионный процесс, лимитирующийся подводом углерода ЖМО к поверхности раздела фаз. Данный процесс описывают на основании второго закона Фика [59], а коэффициент диффузии определяют с помощью метода вращающегося диска [64]. Анализ результатов работы [64] показывает, что влияние температуры расплава проявляется как при низких (ниже 1500С) так и при высоких (выше 1500С) температурах. Данное исследование было проведено, исключая влияния перемешивания расплава. Результаты работы могут быть использованы для оценки времени полного усвоения металлизованных окатышей железоуглеродистым расплавом, а результаты применимы как для дуговых печей, так и конвертеров.
Вопрос о характере движения металлизованных окатышей в ванне дуговой печи недостаточно четко рассмотрен в литературе. В частности авторы работы [55], на основании проведенных исследований считают, что окатыш не вовлекается в конвективное движение металла. Тогда применимость работ [8, 55-58], по исследованию скорости плавления ЖМО, выполненные ранее не вызывает сомнений. Полученные результаты учитываю статичность рассматриваемой задачи, и дают заниженные результаты скорости плавления.
Исследование структуры переходной зоны [23] показывает, что граница между шлаком и металлом весьма динамична. Попадая в эту область, окатыши испытывают влияние потоков вещества и сами участвуют в тепломассообменных процессах этой области.
Как отмечают авторы работы [65], сложные процессы в ванне сталеплавильных агрегатов происходят в условиях термохимически реагирующей многокомпонентной среды, подвергаемой фазовым превращениям и перемешиванию. Важнейшим фактором рафинирования ванны является гидродинамический режим, так как процессы переноса происходят в условиях вынужденно движущегося рабочего тела. При любом инициировании движения расплава гидродинамики ванны в режиме развитой турбулентности является «ответственной» за вынужденные колебания ее параметров, теоретический анализ которых усложняется и может быть вообще неосуществим, если не прибегать к различным упрощениям и условностям, сохраняя при этом практическое значение результата.
В связи с этим нами была предпринята попытка оценить влияние вынужденной конвекции на скорость плавления, при этом получить простую зависимость для определения количественных показателей процесса плавления металлизованного окатыша в железоуглеродистом расплаве.
Так как плавление ЖМО в ванне ДСП сложный физико-химический процесс, то для упрощения модели плавления использовали однокомпонентную систему лед-вода [53].
Упрощенная система позволяет исследовать процесс плавления в зависимости от скорости обезуглероживания, размера образца и степени перегрева жидкости над линией ликвидуса. Данная модель не учитывает различия в строении жидкостей, а также диффузионные процессы, которые в свою очередь, способствуют увеличению количественных характеристик процесса плавления металлизованного окатыша в расплаве.
Анализ научно-технической литературы процесса плавления металлизованного окатыша в ванне дуговой печи свидетельствует о существенном влияние гидродинамики сталеплавильной ванны на скорость плавления ЖМО в расплаве. В связи с этим для выявления количественного влияния процессов массового барботажа расплава пузырями СО эксперимент проводили для двух условий: для свободной и для вынужденной конвекции. При этом, для построения критериальных уравнений обоих случаев и их моделей рассмотрели основные факторы, влияющие на процесс плавления. Подобие физических величин составлено на основании лхгеоремы Бекингема.
В первом случае в уравнении присутствует такой параметр, как приведенная дутьевая нагрузка (линейная скорость потока), определяющая интенсивность барботажа ванны, а во втором для свободной конвекции она опущена.
На основании теории подобия [62, 63, 66-69] можно составить аналитическое уравнение для процесса плавления с учетом различных факторов, влияющих на процесс. Поэтому на первом этапе определяем наиболее важные из них. При этом рассматриваем плавление одиночного окатыша как самостоятельную систему.
Пусть на процесс плавления влияют как внешние, так и внутренние факторы. К внутренним факторам будем относить фазовые превращения внутри плавящегося образца, такие как нагрев, движение межфазной границы (плавление), разрушение структуры образца, вследствии динамического и температурного воздействия, а к внешним процессы, протекающие в ванне сталеплавильного агрегата, к ним относятся барботаж ванны, зависящий от скорости обезуглероживания металла, вынужденная конвекция и др.
Процессы теплообмена, происходящие в ванне сталеплавильного агрегата требуют учета большого количества факторов, влияющих на процесс плавления. К ним относятся тепловые, диффузионные, физико-химические и кинетические закономерности. Комплекс подобия должен составляться через базовые размерности, а производные должны быть приведены к базовым.
Так как процесс плавления металлизованных окатышей в ванне сталеплавильного агрегата в условиях вынужденной и свободной конвекции не рассматривался в литературе, для него не было получено критериальных зависимостей, поэтому, как отмечается в [62] для данного процесса следует на основе анализа основных законов и теории размерностей [63] получить зависимость, состоящую из критериев подобия.
Исследование структуры металлизованных окатышей до погружения в железоуглеродистый расплав
При погружении металлизованного окатыша в железоуглеродистый расплав, на его поверхности из-за градиента температурного поля, направленного в центр, образуется гарнисажная корочка (Рис. 3.7 и Рис. 3.8 поз. 4). Из-за того, что окатыш перед попаданием в расплав имеет температуру примерно равную температуре окружающей среды («2(К25С), то в результате он испытывает «термический удар». Это приводит к намерзанию на его поверхности гарнисажной корочки и изменению структуры самого окатыша.
При этом, можно условно выделить четыре зоны, образующиеся в результате кратковременного погружения. Первая (Рис. 3.7 и Рис. 3.8 поз. 1), непосредственно структура самого окатыша. Она не претерпевает никаких изменений из-за малого промежутка времени взаимодействия. Размеры данной зоны зависят от времени, могут изменятся от 5-10% при 2 секундном до 40-60% при 1 секундном погружении. Вторая, зона с упрочненной структурой. Особенностью данной зоны является то, что поры окатыша здесь уменьшаются, т.е. структура становится более твердой (плотной). Размеры данной зоны составляют от 20-50% до 70-80%. Третья зона, назовем ее зоной взаимодействия, представляет собой разлом с небольшим количеством вещества металл изованных окатышей включая поры.
Особенностью данной зоны является то, что она образовалась уже путем кристаллизации вещества металл изованных окатышей, по размерам невелика. Если окатыш не вынимать из расплава, то ее не будет, он будет плавиться. Это жидкая фаза. Отсюда можно сделать вывод, что процесс плавления металл изо ванн ого окатыша соответствует модели частичного внутреннего плавления.
Последней, четвертой, зоной является непосредственно сама гарнисажная корочка, которая образуется на поверхности металлизованного окатыша. Размеры ее во многом зависят от температуры расплава, теплофизических свойств окатыша и его размеров. Рис
Как видно из данных рисунков структура гарнисажной корочки имеет однородную структуру. Иногда в структуре можно обнаружить трещины (Рис. 3.9) или поры, в основном встречаются на границе корочки и окатыша, а также неметаллические включения (Рис. 3.10), которые попадают в гарнисаждую корочку из расплава.
На рисунке 3.11 более детально представлена зона взаимодействия вещества окатышей с железоуглеродистым расплавом, которая может достигать по диаметру размеров 0,25 см. Эта зона имеет следующую структуру: к самой корочке примыкает зона, в которой присутствуют крупные поры, образуя разлом, размер 0,11146 см, т.е. сама гарнисажная корочка несколько отделена от окатыша. Этот процесс наблюдается, в конце этапа формирования гарнисажной корочки, когда внутренняя структура окатыша начинает плавится (Рис. 3.12 и Рис. 3.13). Далее следует диффузионная зона, размер 0,13792 см. В этой зоне происходит диффузия углерода окатыша в расплав.
Если гарнисажная корочка не успевает до конца сформироваться, а также если это нижняя часть окатыша, погруженного в расплав, то зону взаимодействия трудно выделить, так как корочка непосредственно соприкасается с поверхностью зоны с упрочненной структурой.
Отсюда можно сделать вывод, что на образование зоны взаимодействия, в которой присутствуют большие поры, определяющее влияние окатывает газовая диффузия. В этой зоне происходит взаимодействие углерода 80
На фотографиях шлифов (Рис. 3.15 и Рис. 3.16) представлен вид зоны с упрочненной структурой. Особенностью данной зоны является отсутствие крупных и средних пор, а мелкие поры меняют свою структуру с шарообразной на вытянутую, т.е. как бы сжимаются за счет термического и отчасти гидродинамического удара.
При длительном пребывании металлизованного окатыша в железоуглеродистом расплаве, внутренняя структура самого окатыша начинает разрушаться и плавится.
На рисунке 3.17 представлен вид структуры не до конца разрушившейся в результате плавления. Причем разрушение структуры, как было выявлено, начинается по границе пор, т.к. эта область является средоточием более высокой температуры.
Область плавления следует сразу же за областью с более прочной структурой (Рис. 3.18), т.к. она имеет структуру близкую к структуре окатыша и меньшую температуру плавления. Исходя из этого, можно сделать вывод о том, что в момент плавления металлизованного окатыша сам окатыш
Использование математической модели режима обезуглероживания металла для разработки алгоритма прогнозирования поведения углерода в железоуглеродистом расплаве
Наиболее распространенными являются два метода расчета лучистого теплового потока: - зональный метод [89], который основан на разбиении рабочего пространства на зоны, с последующим расчетом угловых коэффициентом отражения зон, участвующих в теплообмене; - интегральный метод, основанный на законе Ламберта, предполагающий учет геометрии рабочего пространства в одном уравнении, с последующим интегрированием по всей поверхности. Нельзя выделить какой либо метод в качестве универсального, например зональный метод очень прост в составлении уравнений, которые получаются достаточно компактными и легкочитаемыми. Однако сложность метода заключается в определении коэффициентов, для которых часто приходится применять свои численные методы, в частности метод Монте-Карло [90].
Точность расчета по данному методу зависит, прежде всего, от размеров рабочего пространства и количества зон, на которые оно разбивается. В результате расчета получается дискретное температурное поле по поверхности, а в пределах каждой зоны оно не меняется. Следует отметить, что данный метод получил широкое распространение. Интегральный метод имеет всего лишь один недостаток, для сложных геометрий пространства получить простые выражения не представляется возможным. Но главное достоинство этого метода, что он позволяет получить распределение непрерывного температурного поля по всей поверхности, при этом возможно получение аналитической зависимости, что существенно повышает точность расчета.
Подавляющая часть тепловой энергии, выделяющейся в процессе нагрева металлической ванны, представляет собой теплообмен излучением. Учитывая большую мощность, выделяемую дугами, и близость торцов электродов к зеркалу металлической ванны, можно ограничится однократным отражением излучения дуг от внутренней поверхности кладки стен печи [91].
При разработке математической модели принимаются следующие допущения [91]: - форма печи упрощена и принята цилиндрической; - дуга рассматривается в качестве точечного источника излучения, расположенного на середине расстояния между поверхностями зеркала ванны и торца электрода; - среда между дугами и поверхностями, участвующими в теплообмене, полагается лучепрозрачной (в период жидкой ванны горелки не работают, в рабочем пространстве практически отсутствуют С02 и Н20, а выделяющий из ванны СО догорает в подсводовом пространстве и разрыве дымоотводящего канала), поверхности серыми, а их излучение подчиняется закону Ламберта. - распределение мощности между фазами симметричное; - предполагается, что между поверхностью торца электрода и излучением дуги существует локальное термодинамическое равновесие, вследствие чего излучение точечной дуги, падающее на торец электрода отражается на ванну металла. В уравнении (5.5) верхний предел интегрирования Нф либо равен Hs (Hs - высоты печи от уровня порога до пят свода), либо имеет меньшее значение из-за экранирования излучения электродами.
Известно, что круговые зоны под электродами, на площадь которых падает до 90 % всей излучаемой на ванну тепловой энергии, называется горячими пятнами [92]. Радиус «горячих пятен» (Rrn) можно определить из соотношения: Qv(Rj/Q(Rr) = o,9. (5.6) Поток лучистой энергии, падающий на всю поверхность ванны можно определить интегрированием функции распределения плотности (Qv) по всей площади F зеркала металла: Q(Rf)=QvdF, (57) F а поток энергии излучения на поверхность «горячих пятен», с учетом симметрии задачи, определяется:
Полученные уравнения (5.1) - (5.8) использовали для построения структуры математической модели, позволяющей определять тепловые потоки, падающие на поверхность металлической ванны, в независимости от размеров и производительности печи.
Рассматривая схему распределения тепловых потоков (Рис. 5.2), падающих от дуг, в рабочем пространстве дуговой сталеплавильной печи, можно выделить следующие основные составляющие теплового баланса:
