Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса, постановка задачи и методика исследования 9
1.1. Технологические особенности электроплавки металл изо ванных окатышей в 150-т дуговых печах ОАО «ОЭМК»
1.2. Теплоэнергетический и шлаковый режимы электроплавки, процессы нагрева, теплоусвоения и обезуглероживания металла в 150-т дуговой печи
1.3. Современный взгляд на кинетику и механизм плавления металл и зо ванных окатышей в ванне дуговой печи
1.4. К вопросу о газонасыщенности и качестве стали при электроплавке в дуговой печи.
1.5. Постановка задачи и методика исследования 45
1.6. Выводы. 47
Глава 2. Исследование режима шлакообраюван6ия, процессов вспенивания и изменения уровня шлака по ходу электроплавки в дуговой печи
2.1. Особенности шлакового режима при электроплавке металл изованных окатышей в дуговой печи.
2.2. Исследование факторов вспененного шлака на показатели электроплавки стали .
2.3. Исследование структуры и механизма образования переходной зоны в системе шлак-металл.
2.4. Разработка системы управления шлаковым режимом электроплавки стали в дуговых печах.
2.5. Выводы 87
Глава 3. Исследование влияния температурно-шлакового режима электроплавки на процессы плавления сырья в ванне дуговой печи
3.1. Теплофизические аспекты плавления металлизованных окатышей в ванне ДСП.
3.2. Технологические особенности плавления окатышей с учётом образования коркового слоя .
3.3. Исследование кинетических закономерностей плавления металлизованкых окатышей методом математического моделирования
3.4. Исследование режима обезуглероживания расплава и его влияние на скорость плавления металлизованных окатышей в ванне печи.
3.5. Выводы 1 13
Глава 4. Исследование особенностей теплообмена в рабочем пространстве дуговой печ и при разл ичном уровне погружения электрических дуг во вспененный шлак
4.1. Разработка методики расчёта параметров теплообмена в рабочем пространстве 150—т дуговой печи.
4.2. Разработка модели, алгоритма и программы расчёта тепловых потоков с учётом изменения уровня погружения электрических дуг в шлак .
4.3. Анализ результатов моделирования распределения тепловых потоков в рабочем пространстве 150—т ДСП,
4.4. Выводы 133
Глава 5. Разработка математической модели и исследование тепловой работы электросталеплавильной ванны .
5.1. Особенности тепловой работы 150-т. ДСП и структуры математической модели расчета параметров теплового состояния ванны
5.2. Разработка алгоритма и программы расчета параметров теплового состояния ванны
5.3. Проверка модели на адекватность, исследование и анализ результатов моделирования режимов выплавки стали в ДСП
5.4. Выводы 145
Глава 6. Исследование и совершенствование энерготехнологического режима электроплавки жмо в вапнб ДСП .
6.1. Постановка задачи по совершенствованию энерготехнологического режима электроплавки стали.
6.2. Влияние степени перегрева на скорость плавления окатышей и расход электроэнергии
6.3. Оптимизация и синхронизация температурно -шлакового режима, процессов нагрева и обезуглероживания металла по ходу электроплавки
6.4. Разработка модели, алгоритма и программы расчета параметров энерготехнологического режима электроплавки
6.5. Анализ результатов исследования применения ТКГ для интенсификации процесса электроплавки ЖМО в дуговой печи.
6.6. Выводы
Заключение ]66
Библиографический список 1б9
Приложения 179
- Теплоэнергетический и шлаковый режимы электроплавки, процессы нагрева, теплоусвоения и обезуглероживания металла в 150-т дуговой печи
- Исследование факторов вспененного шлака на показатели электроплавки стали
- Технологические особенности плавления окатышей с учётом образования коркового слоя
- Разработка модели, алгоритма и программы расчёта тепловых потоков с учётом изменения уровня погружения электрических дуг в шлак
Введение к работе
Важнейшим направлением в дальнейшем развитии и совершенствовании электросталеплавильного производства, наряду с решением вопросов по улучшению качества металлопродукции, является разработка энерго- и ресурсосберегающих технологий выплавки стали в дуговых электропечах с применением железорудного металлизованного сырья.[1, 2].
Высокая производительность электропечи может быть достигнута [3-6] на основе разработки и внедрения новых энерго - и ресурсосберегающих технологий [6, 7] и соответствующего оборудования [8, 9], в том числе использование топливно-кислородных горелок (ТКГ) [6, 10], эффективных систем управления энергетическим режимом дуговой сталеплавильной печи [2, 1.1, 12] и оптимальных технологических режимов электроплавки металлизованной шихты [13-16].
Современные дуговые сталеплавильные печи (ДСП), где используются высокоэффективные энергосберегающие технологии, имеют расход электроэнергии [10] около 350 (кВт-ч)/т и расход электродов до 1,6 кг/т. Так, например, использование ТКГ сокращает расход электроэнергии на 35-50 (кВт ч)/т.
Процессы, происходящие в ДСП, в значительной степени зависят от формирующегося шлака и степени использования кислородного дутья, подаваемого в ванну через продувочную фурму [9]. Шлак в ДСП покрывает жидкий металл и снижает тепловые потери [2, 3J, растворяет металлизованные окатыши [11, 12] и образующиеся в процессе плавления оксиды [14, 15], а создаваемый, в том числе с помощью ТКГ, вспененный шлак позволяет работать на длинных электрических дугах, т.е. увеличивает КПД дуг [3, 16]. Уровень вспененного шлака зависит от активности (FeO) в шлаке, величина которого может быть снижена путем ввода угольного порошка. При увеличении содержания (FeO) в шлаке, например с помощью ТКГ или кислородной фурмой, снижается температура плавления шлака и повышается его жидкоподвижность [1, 6]. При этом рекомендуемая основность шлака B=(CaO)/(Si02) 2, но следует учитывать, что добавки извести увеличивают расход электроэнергии [1, 3, 6].
Тепловой баланс ДСП, работающей на современной технологии [2, 10, 16] имеет следующие показатели: вводимая мощность 630 (кВт ч)/т, при этом 65% (410 (кВт ч)/т) поступает от электроэнергии, от вдуваемого кислорода и окисления окатышей - 25% (160 кВт ч/т) и от ТКГ примерно .1.0% (60 (кВт ч)/т). Для условий работы 150-т. ДСП на ОАО "ОЭМК" совершенствование и разработка энергосберегающей технологии электроплавки железорудных металлизованных окатышей (ЖМО) представляются весьма актуальным.
Актуальность работы. Вследствие необходимости решения проблемы по снижению затрат энергоресурсов на производство и улучшение качественных показателей электростали в условиях применения нового способа выплавки стали в сверхмощных дуговых печах с использованием непрерывной подачи железорудных металлизованных окатышей (ЖМО) в ванну требуется провести комплекс исследований по изучению закономерностей плавления ЖМО в ванне, совершенствованию тепловой работы агрегатов, отработке и оптимизации энерготехнологических режимов электроплавки стали.
Для решения этой важной и актуальной научно-технической задачи необходимо изучить теплотехнические и технологические особенности непрерывного плавления ЖМО в шлаковой ванне печи, а также проанализировать процессы шлакообразования, нагрева и обезуглероживания металла в сталеплавильной ванне. При этом представляется важным на основе установленных физико-химических, тепло - и массообменных закономерностей электроплавки ЖМО в ванне ДСП разработать комплексную математическую модель тепловой работы агрегата для осуществления оптимального управления теплоэнергетическими и технологическими параметрами плавки стали в сверхмощной дуговой печи.
Цель работы. Проведение экспериментальных исследований в производственных и лабораторных условиях для изучения закономерностей шлакообразования, механизма и кинетики непрерывного плавления ЖМО в ванне ДСП, а также для установления взаимосвязей между процессами вспенивания шлака, обезуглероживания и интенсивности нагрева металла при различных режимах подогрева расплава трехфазными дугами переменного тока, расходах кислорода на продувку ванны, условиях применения ТКГ в ДСП и других факторов.
Разработка комплексной математической модели расчёта параметров непрерывной электроплавки ЖМО в ванне ДСП для осуществления оптимального и согласованного управления температурным, энерготехнологическим и шлаковым режимами плавки стали, а также для достижения высоких технико-экономических и качественных показателей производства.
Научная новизна. Проведены исследования в производственных и лабораторных условиях по изучению закономерностей плавления ЖМО в ванне 150-т. ДСП, рассмотрены особенности режимов шлакообразования и его вспенивания при продувке ванны кислородом и использовании ТКГ для интенсификации процессов наводки шлака, нагрева и обезуглероживания металла.
Установлены закономерности изменения состава и толщины шлака и изменения уровня погружения электрических дуг в шлак. На основе экспериментальных данных установлены закономерности распределения тепловых потоков в рабочее пространство ДСП, передачи тепла шлаку и металлу.
На холодной модели изучены закономерности образования и размеры переходной зоны шлак- металл в зависимости от условий газообразования в ванне. Установлено, что размеры переходной зоны в системе шлак - металл определяются уровнем перемешивания ванны в зависимости от режима обезуглероживания металла и температуры шлака в печи.
Предложена методика и реализована математическая модель расчета теплообмена в системе металл - шлак - газ в зависимости от уровня погружения дуг во вспененный шлак.
Даны рекомендации по оптимизации теплотехнических, энергетических и технологических параметров электроплавки ЖМО с учетом факторов теплового состояния ванны, толщины и уровня вспенивания шлака, параметров загрузки окатышей в печь и непрерывно изменяющейся массы металлической ванмы в ДСП, позволяющие существенно улучшить технико-экономические показатели и повысить эффективность производства.
Практическая значимость и реализация работы. Предложен энергосберегающий режим электроплавки ЖМО в 150-т. ДСП для условий ЭСПЦ ОАО «ОЭМК», заключающийся в непрерывном учете на основе модели основных электрических и энерготехнологических параметров плавки стали, толщины и уровня вспенивания шлака в печи, а также параметров теплового состояния ванны в зависимости от скорости расхода ЖМО на процесс, условий работы ТКГ и режима интенсификации процессов электроплавки кислородом.
Полученные в работе научные результаты по распределению тепловых потоков в рабочем пространстве 150т ДСП и анализу теплоусвоения расплава по ходу электроплавки ЖМО при различных уровнях расположения электрических дуг в шлаке использованы для разработки оптимального температурно-шлакового и энерготехнологического режимов плавки стали, позволяющих существенно снизить энергозатраты на процесс, повысить энергетический КПД. и производительность агрегата, а также увеличить выход годного жидкой стали и повысить качество металлопродукции Достоверность полученных данных подтверждается:
• опытными данными, полученными в промышленных и лабораторных условиях с применением методов компьютерной обработки результатов исследования;
• достаточной сходимостью (расхождение не более 10%) большого объема теоретических и производственных опытных данных;
• адекватностью математических моделей расчета тепловых потоков, параметров теплопередачи в системе шлак- металл и плавления ЖМО в ДСП.
На защиту выносятся:
• результаты экспериментальных данных по распределению тепловых потоков в рабочем пространстве 150т ДСП в зависимости от уровня расположения электрических дуг во вспененном шлаке по ходу электроплавки ЖМО;
• экспериментальные данные по изменению толщины и состава вспененного шлака по ходу электроплавки ЖМО в ДСП, а также результаты исследования по механизму образования переходной зоны на границе шлак - металл в зависимости от состояния шлака, интенсивности обезуглероживания и перемешивания ванны;
• математическая модель расчета тепловых потоков, параметров окисления и плавления ЖМО в ванне 150-т. ДСП с учетом особенностей внешнего и внутреннего тепломассообмена в системе дуга - шлак металл;
• теоретические положения по кинетике и механизму плавления ЖМО в ванне ДСП в зависимости от параметров температурно - шлакового режима, обезуглероживания и перемешивания непрерывно изменяющейся массы сталеплавильной ванны;
• энергосберегающий режим электроплавки ЖМО в ванне 150-т. ДСП на основе учета электрических характеристик, оптимального управления уровнем погружения дуг в шлаке и перегрева расплава над линией ликвидуса, а также за счет оптимизации температур но-шлакового режима с учетом применения ТКГ и продувки ванны кислородом.
Теплоэнергетический и шлаковый режимы электроплавки, процессы нагрева, теплоусвоения и обезуглероживания металла в 150-т дуговой печи
Основной задачей оптимизации режима работы ДСП является ускорение протекающих в ней технологических процессов выплавки электростали с целью повышения производительности агрегата и снижения удельного расхода электроэнергии. Основным путем для получения такого ускорения является увеличение мощности печного агрегата [1, 3, 4].
Однако мощность, выделяемая в ДСП, не может быть неизменной на протяжении плавки, она должна меняться в зависимости от хода проходящего в печи процесса и в зависимости от условий теплообмена излучением в ней. Поэтому плавка в ДСП подразделяется на ряд стадий (периодов), в течение каждой из которых должен поддерживаться свой режим по мощности.
Вопрос осложняется тем, что каждый из этих режимов по заданной мощности может быть получен при разных значениях тока и напряжения печи. Так, в период расплавления, наиболее длительный и энергоемкий, требуется выделять в дугах максимальную мощность.
В начале периода расплавления напряжение на дугах должно быть максимальным, так как дуги находятся в колодцах и из-за повышенного градиента напряжения в них их длина минимальна, и ее надо увеличить подаваемым в печь напряжением. Такой режим поддерживается в печи и во второй части периода расплавления, когда закончилось проплавление колодцев и идет формирование общей плавильной зоны.
Окончание периода расплавления надо проводить на максимально допустимых токах при соответственно пониженном напряжении на дугах, так как при этом уменьшаются потоки излучений на стены и свод печи и увеличивается доля энергии, усваиваемой металлом. В этот период снижается градиент напряжения в дуге, увеличивается ее длина, а, следовательно, и энергия излучения на стены и свод печи, поэтому уменьшение напряжения благотворно действует на стойкость футеровки печи, снижая ее износ.
В последующие периоды окисления и рафинирования длительность их определяется не тепловой мощностью, а скоростью проходящих в металлической ванне реакций, мощность печи и подаваемое на печь напряжение снижаются. Такое снижение мощности печи в основном за счет напряжения объясняется тем, что градиент напряжения в дугах в этот период значительно уменьшается, длина дуг растет и увеличивается поток излучения на футеровку. Сохранение значительных токов фаз позволяет углублять дуги в металл, увеличивая их затенение по отношению к стенам, к своду печи, и тем самым снизить их износ в этот период.
Таким образом, для оптимизации режима плавки в ДСП необходимо обеспечение в каждый период плавки определенной мощности, а также управление токами и напряжениями дуг. Управление дугами необходимо вести таким образом, чтобы обеспечить для каждого периода такое выделение тепловой энергии в рабочем пространстве печи, которое наравне с наиболее оптимальным ходом технологического процесса обеспечивало бы также достаточно благоприятные условия работы футеровки печи, ее максимальный ресурс. С этой точки зрения система автоматического управления режимом работы ДСП должна регулировать электрические параметры печи с учетом проходящих в ней тепловых процессов [3]. На данный момент на ОЭМК система автоматического управления энергетическим режимом основана на расчете изменения температуры металлической ванны по ходу плавки. На рис. 1.5. приведена зависимость расчётных температур с помощью ЭВМ и фактических температур, измеренных с помощью термопары. Разброс данных между значениями этих температур достигает в некоторых случаях ±25С, что следует признать неудовлетворительным для использования в целях эффективного управления параметрами энерготехнологического режима электроплавки стали.
Таким образом, представляется необходимым совершенствовать систему расчета на ЭВМ параметров теплового состояния сталеплавильной ванны на основе применения более точной модели, позволяющей оперативно определять скорости нагрева металла и плавления ЖМО по ходу электроплавки, при различных технологических условиях выплавки стали в печи с изменяющейся массой ванны [2, 11, 12].
Сравнительные данные температуры металла по ходу плавки, полученные расчётом на ЭВМ и измерением термопарой типа ПР 30/6. Распределение плотности потоков излучения на поверхности стен, свода и металла зависит от электрических и геометрических параметров дуг. Для двух электрических режимов, характеризующихся одинаковым распределением тепловой мощности по дугам фаз, но различными значениями токов и напряжений на дугах, полезная теплота, идущая на нагрев и расплавление металла, и потерянная теплота, расходуемая на оплавление футеровки, различны. Рациональные с точки зрения электрических параметров режимы работы ДСП могут оказаться нерациональными по теплообмену в рабочем пространстве. Следовательно, с целью повышения производительности ДСП без резкого снижения стойкости футеровки необходимо согласовывать электрические и тепловые режимы печей. Несогласованность электрических и тепловых режимов особенно сказывается на работе высокомощных крупнотоннажных печей, что приводит к неодновременному протеканию электротехнологического процесса под электродами фаз, появлению «горячих» пятен на футеровке печи.
Схема теплообмена излучением в свободном пространстве ДСП показана на рис. 1.6. В і-ю зону свободного пространства попадает поток излучения дуг. Часть потока излучения дуг попадает на шлак и поверхности рабочего пространства печи. Отраженный от них поток излучения попадет вновь на эти поверхности, в том числе, какая-то его часть — в і-ю зону
Так будет происходить многократно. Кроме того, все эти поверхности, нагреваясь, излучают теплоту в і-ю зону. Таким образом, в последнюю попадают как поток излучения от дуг, так и потоки излучений, вызванные многократным отражением потока излучения дуг и потоков излучений нагретых поверхностей. Суммарный поток падающего излучения в і-ю зону свободного пространства равен сумме составляющих его потоков излучений, т. е. сумме потоков падающих излучений в данную зону.
Исследование факторов вспененного шлака на показатели электроплавки стали
Исследованию процессов вспенивания сталеплавильных шлаков посвящены многочисленные работы [1,2, 6, 26, 47], т.е. способность шлаков вспениваться изучается уже достаточно продолжительное время [26, 46, 49], однако важность проблемы [1, 50] и сложность процесса заставляют вновь возвращаться к этому вопросу.
Факторы, которые могут оказывать влияние на образование пенистого шлака в ванне ДСП, можно обобщить [26, 44, 46] и представить в виде схемы, приведенной нарис. 2.7.
Анализ рис. 2.7 показывает, что вспенивание шлака зависит не только от образования газа А, но и от физико-химических свойств шлака Б, играющих решающую роль. Вязкость в случае (CaO)-(FeO)-S1O2 определяется составом и температурой шлака [26, 46]. Однако с повышением температуры вязкость шлака снижается [57]. Чем выше температура металла на выпуске, тем хуже условия сохранения шлака во вспененном состоянии. Большое поверхностное натяжение увеличивает время пребывания газа в шлаке, тем самым оно положительно влияет на вспенивание шлака.
Систему вспененного шлака называют пеной [43, 44] тогда, когда объём жидкой фазы по сравнению с объёмом газовой фазы настолько мал, что жидкость присутствует в виде отделенных один от другого газовыми пузырями, причем эти пузыри уже не могут перемешаться свободно [46, 47]. В условиях непрерывной загрузки ЖМО в шлак 150-т ДСП (рис. 1.1.) окатыши нагреваются и плавятся в шлаковой фазе (рис. 1.4.) с образованием газов СО и СО,, вследствие окисления углерода в ЖМО. Этот газ, вызывающий вспенивание шлака, образуется в металлической ванне [26, 45, 47] за счет окисления углерода кислородом (рис. 2.4), растворенного в жидком металле П, 2, 9]. Следовательно, окисленность шлака (FeO) и металла [FeO] являются важными технологическими параметрами [2, 12, 58] электроплавки ЖМО. Равновесное распределение кислорода в ванне ДСП (FeO) - [FeO] выражается равенством кислородных потенциалов в металлической и шлаковой фазах:
Экспериментальные данные по изменению окисленности шлака (рис.2.2, 2.3. и 2.5.) и металла (рис. 2.4) свидетельствует о высоком уровне окислительного потенциала в соприкасающихся фазах и о заметном влиянии температуры шлака (рис. 2.6.) и металла (рис. 2.1) на процессы плавления ЖМО в ванне. Установлено, что уровень вспененной ванны 150-т ДСП постепенно снижается по ходу электроплавки (рис. 2.1, а), как при продувке ванны кисло 63 родом [9, 1 1], так и в условиях (рис. 2.6) применения ТКГ для воздействия на шлак.
Применение теплоэнергетического режима в 150-т. ДСП с нагревом шлака [2, 12] при погруженных в него электрических дугах [43, 49, 50] позволяет достигнуть высоких скоростей нагрева металла (рис. 2.6. а) и плавления ЖМО, что обеспечивает высокие показатели по энергосбережению процесса электроплавки [12, 43]. Это обстоятельство подтверждается опытными данными (табл. 6.) полученными для условий работы 150-т. ДСП ОАО «ОЭМК».
Из приведенных данных (табл. 6) следует, что энерготехиологические режимы работы 150-т ДСП с применением регламентированного режима нагрева мегалла (Б) при 50 AT 75 и использовании ТКГ (В) позволяет в существенной мере улучшить основные технико-экономические показатели производства по сравнению с существующей практикой (А) работы дуговых печей в ЭСПЦ ОАО «ОЭМК».
По ходу электроплавки условия передачи энергии от дуг шлаку (рис. 1.3) непрерывно изменяются (ступень напряжения) под действием процессов протекающих между концом электрода, шлаком и ванной металла. Характер изменения напряжения дуги в зависимости от ступени напряжения при постоянной силе тока для условий 150-т ДСП показано на рис. 2.8. На границе электрод -дуга, дуга - ванна напряжение в силу физических причин снижается на 30 В. По необходимой для равномерного горения дуг напряжённости поля, равном I В/мм длины дуги, можно рассчитать общее падение напряжения [3, 43].
Установлено, если дуга наполовину своей длины (рис. 2.8. а) погружена в шлак, общая степень передачи энергии ("ПКш) составляет 31—42 %, при условии, что общее количество остальной излучаемой дугой энергии распределяется между стенкой печи, сводом и жидкой ванной. Если дуга полностью погружена в шлак, то и излучаемая дугой энергия будет зависеть от толщины вспененного шлака и передаваться примерно на треть (рис. 2.8, б) или наполовину (рис. 2.8. в) (благодаря теплопроводности шлака) ванне металла. При этом коэффициент использования энергии, рассчитанный по методике [3, 61] составит тогда соответственно 52-66 % и 80-93 % (рис. 2.8). Из данных рис. 2.8. следует, что коэффициент использования энергии гкиэ имеет наиболее высокие показатели при полном погружении дуг в объёме вспененного шлака. Так при неполном погружении электрических дуг (рис. 2.8, б) в шлак гкиэ заметно ниже (рис. 2.8, в) чем в случае полного погружения дуг в шлак.
В условиях ЭСПЦ ОАО «ОЭМК» интенсификацию вспенивания шлака производили за счёт вдувания кислорода и угля (кокса) в ванну ДСП. При этом углерод рекомендуется вдувать в зону ниже уровня раздела шлак - металл для улучшения науглероживания ванны. При вдувании через фурму или ТКГ кислорода в шлак повышается его окисленность [9, 13], а в верхней части ванны развивается высокая температура и значительно снижается содержание углерода, в результате чего из за градиента содержаний углерода и температуры по высоте ванны возникает так называемая «отдача».
Дуги, погружённые в шлак, горят стабильнее, уменьшаются колебания силы тока и напряжения, что позволяет повысить подводимую мощность трансформатора примерно на 15% и, следовательно, сократить токовое время, общую продолжительность плавки и уменьшить удельный расход электроэнергии [2, 12, 43], вплоть до уровня около 120 кВт ч/т жидкой стали или около 0,686 кВт ч/град. При возрастающей толщине слоя вспененного шлака повышается также степень дожигания монооксида углерода (СО) до диоксида углерода (СО,) в объёме шлака и, следовательно, повышается эффективность передачи теплоты от дожигания технологических газов в расплавленной ванне, что также способствует снижению удельного расхода электроэнергии и повышению производительности печи [2, 12, 52]. Вспененный шлак абсорбирует образующуюся технологическую пыль, поэтому снижаются расходы на газоочистку отходящих из ДСП газов. Снижаются также уровень шум о вы деления печи и помехи в электрической сети. Экономия энергии при плавке стали под вспененным шлаком достигает 10-30 кВт ч/т для условий «ОЭМК» [9, 1.1, 12].
Опыт работы 150-т дуговых печей на ЭСПЦ показывает, что формирование хорошо вспененного шлака (рис. 2.1) обеспечивается при основности шлака B=(%CaCH-%Mg0y(%SiO2+%Al2O3) равной 1,8-2,3, температуре ванны 1550-1580, содержании в шлаке около 20% FeO и 8-12% MgO (рис. 2.3.), и содержании углерода в ванне 0,10-0,3%. Вспениванию шлака и устойчивости пены [26, 43] благоприятствуют повышенная вязкость шлака [46, 47], низкое межфазное натяжение [1, 2], малый размер и большой объём выделяющихся пузырей монооксида углерода [45, 50, 51].
В ванне дуговой печи в результате реакции взаимодействия [2, 12] углерода металл и зованных окатышей с остаточными оксидами железа в них выделяется монооксид углерода (СО), что также способствует образованию пенистого шлака (рис. 2.1. а, 2.6.) в ДСП. Анализ экспериментальных данных (рис. 2,3-2.8) показывает, что при непрерывной загрузке метал л и зо ванных окатышей в ванну (рис. 1.1) присутствуют основные факторы (рис. 2.7), обеспечивающие образование пены и стабилизирующие её, а также достаточное количество углерода и кислорода в шлаке (рис. 2.4), расположение фронта обезуглероживания ЖМО как в шлаке так и на границе шлак металл (рис. 1.4), а также развитая пористая структура окатышей, способствующая формированию мелких пузырей {СО} [2, 6]. Установлено, что образующийся в шлаке оксид углерода (СО) обеспечивает наибольшее вспенивание в зоне присадки металл изо ванных окатышей в ванну дуговой печи. Это обстоятельство указывает на то, что в условиях интенсификации ванны кислородом (02) и применения ТКГ наряду с локальным механизмом плавления (рис. ) .4) ЖМО в шлаке имеет место интенсивное кипение сталеплавильной ванны по ходу плавки
Технологические особенности плавления окатышей с учётом образования коркового слоя
При падении ЖМО в ванну ДСП (рис. 1.1) на поверхности холодных окатышей образуется корковый слой. Образование такого слоя объясняется превышением в первый момент потока тепла, отводимого от поверхности тела внутрь его (из-за значительного градиента температур), потока тепла от среды к поверхности раздела (рис. 1.4). Рост коркового слоя будет продолжаться, пока указанные потоки не уравняются. В дальнейшем по мере прогрева тела происходит плавление коркового слоя, и тело достигает своих первоначальных размеров. Литературные данные по этому вопросу достаточно противоречивы. По одним источникам [2] по отношению к общему времени нагрева и плавления величина теплового периода для условий хорошо перемешиваемой жидкой металлической ванны невелика, и ею в первом приближении можно пренебречь. По другим источникам [21] толщина корочки намерзшего шлака может достигать значительной величины (10-30 % от радиуса окатыша), даже при высоких значениях коэффициента эффективной теплопроводности шлака, а относительное время её существования велико (около 50 % общего времени плавления). Поэтому в данной работе был произведён расчёт толщины намерзающей корочки и её влияния на процесс плавления окатыша, а, следовательно, и на скорость загрузки окатышей.
Суммарная длительность плавления ЖМО (т0бщ, с) в шлаке определяется двумя периодами: периодом образования, нагрева и плавления коркового слоя (корки) на поверхности окатыша (тк, с) и временем нагрева и плавления (тпл,с) самого окатыша, т.е. общ=тк+тпл (317) 10] Длительность периода тк, называемая еще тепловым периодом, определяется теплофизическими свойствами тела (ЖМО) и среды (шлак) и главным образом величиной теплообмена между шлаком и поверхностью (Q , Вт/м2).
Вторая стадия (плавление корочки шлака) описывается уравнением (3.18) с теми же граничными условиями. Начальными условиями на этой и последующих стадиях являются решения уравнения (3.1.8) для предыдущей стадии. Движение фронта плавления корочки шлака описывается уравнением (3.20) при изменении знака правой части на противоположный.
В результате подвода теплоты температура поверхности окатыша увеличивается и осуществляется его прогрев, т.е. возникает распределение температуры по радиусу ЖМО. При достижении его поверхностью температуры плавления окатыш начинает плавиться и полностью расплавиться в тот момент, когда температура центра также достигает температуры плавления.
В начале загрузки окатышей их масса в ванне растёт пропорционально скорости загрузки. По истечении времени тобщ, равного времени нагрева и плавления одного окатыша, масса плавящейся в ванне шихты остаётся постоянной, так как в следующем временном интервале при постоянной скорости загрузки расплавятся все окатыши, попавшие в печь за этот период. Это при условии, что подводимой энергии достаточно для обеспечения нагрева, плавления окатышей и образующихся расплавов до температуры ванны и осуществления восстановления оксидов железа [71]. Таким образом, рассчитав время на нагрев и плавление окатышей, получим, что одновременно в каждую секунду в ванне печи находится тобщ N окатышей, где N - число окатышей в одной порции.
Уравнения (3.1 - 3.36) составляют структуру математической модели плавления ЖМО и на её основе разработан алгоритм (рис. 3.3) и программа расчёта на языке «MATLAB» (см. Приложение 1) для расчета толщины намерзающей корочки шлака на поверхности окатыша, времени теплового периода тк, и периода плавления окатыша тП[, количества теплоты, идущего на расплавление одного окатыша и массы окатышей в соответствии со скоростью загрузки, скорости плавления окатышей Vnj] и другие параметры.
Изменение толщины корочки со временем на её образование и расплавление при различных значениях температуры шлака (Тшл) и коэффициента конвективной теплоотдачи (а).
Толщина корочки намёрзшего шлака может достигать значительной величины (15-26% от радиуса окатыша) (рис. 3.6.), а относительное время её су 110 шествования велико (около 20% общего времени плавления) (рис. 3.4). Следовательно, предположение о несущественности влияния процесса намерзания корочки шлакового расплава на поверхности окатыша не во всех случаях правомерно.
Таким образом, при неизменной температуре шлака (Тшл) в дуговой печи для снижения толщины намерзающей корочки (рис. 3.6), а, следовательно, и для более быстрого плавления ЖМО в ванне печи следует увеличивать коэффициент конвективной теплоотдачи (а) путём повышения значения критерия перемешивания в основном за счёт интенсификации режима обезуглероживания ванны.
Разработка модели, алгоритма и программы расчёта тепловых потоков с учётом изменения уровня погружения электрических дуг в шлак
На основе приведённых уравнений (4.1-4,24), составляющих структуру математической модели разработан алгоритм (рис. 4.4) и программа на языке «MATLAB» (см. приложение 1) для расчета распределения падающих и результирующих потоков от дуг на поверхность шлака, стен и свода, что позволяет количественно и качественно оценить картину внешнего теплообмена в рабочем пространстве дуговой печи.
Функционирование алгоритма, представленного на рис. 4.4 осуществляется следующим образом. При работе печи в соответствии с табл. 1 на определённой ступени напряжения вычисляется длина дуги по уравнению (4.7) и длина открытой части дуги по уравнению (4.11) в зависимости от толщины шлака и заглубления дуги в металл. По введённым геометрическим размерам печи (радиус печи на уровне шлаковой ванны и на уровне стеновых панелей, радиус свода, высота стрелы свода, глубина ванны и т.д.) вычисляются координаты зон, расстояния между поверхностями испускающими поток излучения и поверхностями принимающими его. Далее производится расчет средних угловых коэффициентов (уравнение 4.23), связывающих внутренние поверхности дуговой печи. Затем при помощи формул (4,19-4.22) вычисляются температуры внутренних поверхностей водоохлаждаемых стеновых и сводовых панелей, исходя из которых вычисляется поток собственного излучения (уравнение 4.18) этих поверхностей. На конечном этапе определяются результирующие потоки излучения (уравнение 4.16) на поверхности, участвующие в теплообмене с учётом потоков излучения, вызванных многократным отражением. Таким образом, представляется возможным определить все необходимые данные для расчёта параметров тепловой работы дуговой печи.
По результатам расчета построены графики (рис. 4.5 - 4.8) изменения падающих и результирующих тепловых потоков излучения на поверхности, участвующие в теплообмене, в зависимости от расположения зоны и степени экранирования дуг шлаком.
Распределение плотности теплового потока, как следует из рис. 4.5, обнаруживает наличие явно выраженного максимума в области на поверхности ванны, расположенной под электродами. Кроме того, из картины распределения потока видно, что расплавление шихты на периферии осуществляется за счёт переотражения излучения дуг, теплового излучения футеровки и теплопроводности шлака.
Расчёты, выполненные для различных значений степени открытости дуги, показали, что с увеличением 1отк происходит увеличение величины теплового потока, и как следствие доли излучения на стены и евод печи.
Режим работы на более высокой ступени трансформатора ДСП, т.е. увеличение вторичного напряжения, приводит к увеличению длины электрических дуг, что приводит к возрастанию потока излучения, падающего на поверхности шлакового расплава, водоохлаждаем ых стен и свода печи. Открытое горение электрических дуг вызывает повышенное облучение стен и свода. В случае же экранирования дуг шлаком мощность, передаваемая шлаку, а через слой шлака за счёт конвективного теплообмена и металлической ванне, существенно возрастает вследствие более интенсивного подвода лучистой энергии от электрических дуг, что способствует ускорению нагрева жидкой стали в дуговой печи.
Одновременно происходит перераспределение доли падающего излучения между сводом, стенами и шлаком в сторону последнего, что благоприятно сказывается как на работе футеровки, так и на нагреве и плавлении металлизо-ванных окатышей в шлаке.
На рис. 4.6. приведены результаты расчётов плотности потоков падаю щих (а) и результирующих (б) излучений дуг на стеновые водоохлаждаемые панели в 150-т дуговой печи ОАО «ОЭМК».
Расчёты произведены для окончания периода расплавления при различной степени открытости электрической дуги. Как видно из рис. 4.6. зоны, расположенные напротив электрода наименее экранированы от теплового излучения при значительном выдувании дуги под действием электромагнитной силы. Для второй и последующих зон электрод затеняет часть дуги.
При горении дут на зеркало шлаковой ванны плотность потоков падающих излучений на стены достигает наибольших значений. Вследствие влияния электромагнитного выдувания дуг из-под электродов и уменьшения экранирования электродами излучения дуг растет тепловая нагрузка на средние пояса стен. Лунка в металле закрывает часть дуги, экранируя её излучение в нижний пояс печи (рис. 4.6).
Проанализировано влияние шлака на экранирование дуг в печи (рис. 4.7), Толстый слой шлака экранирует значительную часть дуги, уменьшая отношение 10тк/1д и снижая в 2-3 раза плотность потоков падающих излучений в нижние пояса стен. В те периоды плавки, когда ванна покрыта толстым слоем шлака, максимум тепловой нагрузки перемещается с нижних поясов стен в средние и верхние. Такая картина нежелательна при доплавлении шихты в начальный период плавки, когда шихта лежит на откосах печи, так как снижение потоков излучений дуг в нижние пояса стен затягивает период расплавления, Горение дуг на открытое зеркало металла может резко повысить температуру нижних поясов футеровки стен и привести к её оплавлению при работе на длинных дугах.
Результаты расчёта результирующих тепловых потоков излучения при работе на различных ступенях напряжения в зависимости от экранирования дуг шлаком. Плотность потоков падающих излучений дуг достигает максимальных значений на периферии свода (рис. 4.8) и снижается к центру печи.
Распределение плотности потока падающего и результирующего излучения дуг по радиусу свода печи. Это объясняется электромагнитным выдуванием дуг от центра печи к периферии и экранированием электродами центральной части свода от теплового излучения дуг.
