Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и постановка задачи исследования 9
1.1. Обзор развития дуговых сталеплавильных печей 9
1.2. Обзор систем охлаждения, применяемых в дуговых сталеплавильных печах 16
1.3. Обзор исследований теплообмена в дуговых сталеплавильных печах 20
1.3.1. Представление о печной электрической дуге 20
1.3.2. Обзор методик расчета теплообмена в свободном пространстве дуговых печей 28
1.3.3. Обзор исследований теплообмена в печах с водоохлаждае-мыми элементами 40
1.3.4. Обзор исследований вспенивания шлака в дуговой печи 41
1 АВыводы по главе и постановка задачи исследования 45
2. Математическая модель теплообмена в дуговой сталеплавильной печи 46
2.1. Разработка математической модели передачи теплоты из свободного пространства печи к охлаждающей панели воде 46
2.2.Особенности работы печи в режимах закрытого и открытого горения дуг 53
2.2.1. Режим закрытого горения дуг 53
2.2.2. Режим открытого горения дуг 54
2.3.Моделирование теплообмена в прикатодном и прианодном участках дуговой печи 56
2.3.1. Математическая модель шарового сегмента 56
2.3.2. Методика расчета выдувания дуги из-под электрода 58
2.3.3. Распределение мощности в катодно-анодном участке 60
2.3.4. Методика расчёта высоты слоя вспененного шлака 63
2.4.Математическая модель тепловых потоков от источников излучения в печи 65
2.4.1. Расчёт плотности падающих потоков электрических дуг 65
2.4.2. Расчёт плотностей падающих потоков газокислородных горелок 66
2.4.3. Расчёт плотности падающих потоков от электродов 66
2.4.4. Расчёт плотности падающих потоков с поверхности ванны ... 67
2.4.5. Расчет теплообмена в поглощающей среде печи 70
2.5.Выводы по главе 73
Экспериментальное исследование теплообмена в свободном пространстве шахтной дуговой сталеплавильной печи "Фукс" 74
3.1. Объект исследования 74
3.1.1. Характеристики шахтной дуговой сталеплавильной печи "Фукс" в ЭСПЦ ОАО «Северсталь» 74
3.1.2. Технология выплавки полупродукта в шахтной печи «Фукс» при работе на 100% твердой шихте 77
3.1.3. Выплавка при работе с использованием жидкого чугуна 78
3.2.Методика проведения опытов 79
3.2.1. Методика измерения тепловых потоков 79
3.2.2. Калориметрический метод исследования тепловых потоков на поверхности панелей 80
3.2.3. Метод исследования тепловых потоков на поверхности панелей с помощью тепломеров 82
3.3.Полученные опытные данные. 83
3.4. Анализ опытных данных 96
3.4.1. Влияние периода плавки и местоположения панелей на распределение результирующих плотностей потоков в печи .. 96
3.4.2. Влияние шлака на значения результирующих плотностей тепловых потоков в панели 98
3.4.3. Влияние вспененного шлака на значения тепловых потоков.. 99
3.4.4. Изменение плотностей падающих потоков по высоте панелей 100
3.5.Выводы по главе 100
Применение математической модели теплообмена в свободном пространстве электродуговой сталеплавильной печи для разработки её водоохлаждаемых элементов 102
4.1 .Адаптация математической модели 102
4.1.1. Результирующий поток в панели холодной зоны печи в период закрытого горения электрических дуг 102
4.1.2. Результирующий поток в панели горячей зоны печи в период закрытого горения электрических дуг 105
4.1.3. Результирующие тепловые потоки в панели горячей зоны в режиме открытого горения дуг 109
4.1.4. Результирующие тепловые потоки в панели холодной зоны в режиме открытого горения дуг 113
4.1.5. Результирующие тепловые потоки в панели при работе печи со вспененным шлаком 114
4.1.6. Сравнение результатов, полученных теоретическим и опыт ным путем 115
4.1.7. Плотности падающих тепловых потоков 116
4.2.Разработка инженерной методики расчета системы охлаждения дуговой сталеплавильной печи 119
4.3.Выводы по главе 123
Выводы по работе 125
Список литературы 125
Приложения 137
- Обзор методик расчета теплообмена в свободном пространстве дуговых печей
- Расчёт плотности падающих потоков с поверхности ванны
- Влияние периода плавки и местоположения панелей на распределение результирующих плотностей потоков в печи
- Результирующие тепловые потоки в панели горячей зоны в режиме открытого горения дуг
Введение к работе
Современная металлургия характеризуется увеличением доли стали, выплавляемой в дуговых сталеплавильных печах. Рост производства электростали достигается путем ввода в эксплуатацию новых высокопроизводительных агрегатов и совершенствованием технологических и энергетических режимов действующих печей. Повышению эффективности их работы в последние десятилетия посвящено большое количество работ и монографий Л.Е. Никольского, В.Д. Смоляренко, А.Н. Макарова, Б. Баумена, О.М. Сосонкина и др.
Основные пути интенсификации выплавки электростали - это применений газокислородных горелок, интенсивная продувка жидкой ванны кислородом, использование технологии вспененного шлака. Одним из самых эффективных способов повысить производительность дуговой сталеплавильной печи является установка на ней водоохлаждаемых элементов.
Перечисленные выше способы интенсификации выплавки стали оказывают существенное влияние на теплообмен в свободном пространстве печи, поэтому ранее разработанные методики расчета теплообмена в дуговых сталеплавильных печах требуют пересмотра и дополнений.
Цель работы.
Разработка методики расчета тепловых нагрузок водоохлаждаемых элементов в электродуговых сталеплавильных печах для выбора оптимальной конструкции элемента и его материала.
Задачи работы.
В ходе работы были поставлены следующие задачи:
1. Разработать математическую модель теплообмена в свободном пространстве дуговой сталеплавильной печи в периоды закрытого и открытого горения электрических дуг, позволяющую учитывать влияние разных источников излучения электрических дуг, графитовых электродов, газокислородных горелок, вспененного шлака, печных газов.
Усовершенствовать методику расчета плотностей тепловых потоков от электрических дуг.
Разработать методику расчета высоты слоя вспененного шлака в дуговой печи и методику расчета падающих тепловых потоков от шлака на поверхности печи.
Опытным путем установить закономерности распределения тепловых потоков по высоте и периметру водоохлаждаемых стен дуговой сталеплавильной печи.
Разработать инженерную методику расчета водоохлаждаемых элементов печи.
6. Разработать рекомендации по выбору материала для изготовления
водоохлаждаемых элементов дуговой печи.
Методы исследований.
Работа выполнена на основе комплексных экспериментальных и теоретических исследований с применением аналитических и численных методов решения дифференциальных уравнений теплообмена с применением программного обеспечения: Comsol Femlab v2.2, MathWorks MatLab V6.1.0.405.R12.1., Mathcad 2001 Professional.
Научная новизна.
Разработана математическая модель теплообмена в свободном пространстве дуговой сталеплавильной печи в периоды закрытого и открытого горения электрических дуг, позволяющая учитывать влияние разных источников излучения электрических дуг, графитовых электродов, газокислородных горелок, вспененного шлака, печных газов.
Усовершенствована методика расчета тепловых потоков от электрической дуги путем учета отклонения дуги от оси электрода и заглубления её в металл.
Разработана методика расчета высоты слоя вспененного шлака в дуговой печи и методика расчета падающих тепловых потоков от шлака на поверхности печи.
7 4. Установлены закономерности распределения тепловых потоков по высоте и периметру водоохлаждаемых стен дуговой сталеплавильной печи. Практическая значимость.
Разработана инженерная методика расчета водоохлаждаемых элементов дуговой сталеплавильной печи.
Разработаны рекомендации по выбору материала для водоохлаждаемых элементов.
Реализация результатов работы.
Результаты исследования теплообмена в свободном пространстве дуговой сталеплавильной печи и методика расчета водоохлаждаемых элементов дуговых сталеплавильных печей переданы ЗАО «Фирма «СТОИК» и приняты к внедрению на участке по ремонту и изготовлению водоохлаждаемых элементов дуговых печей Цеха сервисного обслуживания 007 (ЦСО-007).
Апробация работы.
Основные разделы данной работы докладывались на Международной научно-технической конференции «Моделирование, оптимизация и интенсификация производственных процессов и систем» (Вологда, 2004 г.), на 4-й Международной научно-технической конференции «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем» (Вологда, 2004 г.), на Всероссийской научной конференции студентов и аспирантов «Молодые исследователи - регионам» (Вологда, 2005 г.), на V Межвузовской конференции молодых ученых (Череповец, 2004 г.), на Международной научно-технической конференции «Современная наука и образование в решении проблем экономики европейского севера» (Архангельск, 2004 г.), на международной научно-практической конференции "Дни науки 2005" (Днепропетровск, 2005 г.), на II Международной научно-практической конференции «Научный потенциал мира 2005» (Днепропетровск, 2005 г.), на МНТК «Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства» (Череповец, 2005), на научных семинарах и заседаниях кафедры промышленной теплоэнергетики ЧТУ.
8 Публикации.
По результатам диссертационной работы опубликовано 8 печатных работ.
Структура и объем диссертации.
Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения и 2 приложений, содержит 140 стр. машинописного текста (включая приложения), 47 рисунков, 1 таблицу, список литературы (100 наименований).
Автор считает приятным долгом выразить благодарность научному руководителю, доктору технических наук, профессору Н.Н. Синицыну, коллективам ЦСО-007 ЗАО «Фирма «СТОИК», ЭСПЦ ОАО «Северсталь», лично А.С. Селедкину, Г.С. Измайлову и В.Л. Константинову за помощь в организации и проведении экспериментальной части исследования, а также всем тем, кто поддерживал меня в процессе создания данной работы.
Обзор методик расчета теплообмена в свободном пространстве дуговых печей
Разработанные системы охлаждения дуговых сталеплавильных печей можно разделить на пять типов: Кессоны, представляющие собой сварной стальной короб с подачей и обраткой [19-21]. Внутри кессона обычно расположены перегородки, а снаружи - шипы для захвата шлака. Такие системы разрабатывались в СССР, Японии, Италии, ФРГ. Основным преимуществом кессонной конструкции являются надежность в эксплуатации и возможность использования сравнительно малодефицитных материалов.
Недостатком кессонов является то, что из-за большого поперечного сечения водоводных каналов теплоотдача от горячей стенки к потоку охлаждающей воды снижена. Наряду с низкой скоростью охлаждающей воды в кессоне образуются завихрения и застойные зоны, в которых появляются пузырьки пара и воздуха, возникает поверхностное кипение, при котором происходят значительные отложения солей на поверхности, при этом отвод тепла от этого участка резко снижается. Это может привести к разрушению охлаждаемого элемента. Однако при скоростях движения воды до 0,2 м/с снимаемый с охлаждаемых поверхностей тепловой поток значителен: 60-90 кВт/м2. Ещё один недостаток кессонов, сваренных из ровных металлических пластин, состоит в том, что прикрепляемые к ним устройства для удержания шлака, состоящие из множества элементов специальной формы, уязвимы к повреждениям и обгоранню в процессе работы печи даже в нормальном режиме. Эти элементы должны регулярно обновляться, т.к. ровная поверх 17 ность кессона слабо удерживает шлак. Недостатком кессонов, изготовленных из пластин незначительной толщины, является также их низкая прочность в силу их конструкции, что не позволяет использовать эти элементы при высоких давлениях воды, например, в системах испарительного охлаждения. Ряд кессонов изготавливают из ровных металлических пластин и литой пластины, обращенной к рабочему пространству печи, на которой имеются либо желобки, либо ребра для удержания шлака. Помимо выше перечисленных, недостатков, кессоны такой конструкции более уязвимы к растрескиванию горячей поверхности. Кроме того, ребра поверхности подвержены чрезмерно высоким тепловым напряжениям в местах их крепления к пластине. Из-за весьма быстрого изменения температуры внутри печи выступающие элементы отламываются от горячей поверхности элемента. Вдобавок к тому, что горячая поверхность элемента становится ровной и неспособной к удержанию шлака в местах, где раньше были ребра или шипы, происходит дальнейшее растрескивание пластины и множество других повреждений. Трубчатые панели в виде змеевиков, образованные трубами, расположенными либо вертикально, либо горизонтально, и соединенные «калачами», по которым циркулирует вода [22-26].
Главным преимуществом трубчатых панелей является возможность достижения скорости воды, достаточной, чтобы исключить её кипение и выпадение солей на обогреваемой поверхности.
Панели такого типа имеют серьезный недостаток - низкую способность удерживать огнеупорный защитный слой, наносимый на поверхность панелей, и шлак, который попадает на панели в процессе работы печи. Этот недостаток не устраняется, даже если гладкая горячая поверхность труб снабжена множеством впадин и выступов. Недостаточная способность к удержанию предварительно нанесенного или сформировавшегося в процессе эксплуатации защитного покрытия на горячей поверхности водоохлаждае-мых элементов, в принципе, основана на физическом явлении высокого градиента усадки шлака, который почти всегда пропорционален его внутренне 18 му температурному градиенту. На практике близко расположенные друг к другу трубы образуют между собой призматическое пространство в основном в виде треугольника в поперечнике, в котором и накапливается шлак. Т.к. трубы практически равномерно охлаждаются по периметру, то масса шлака в виде треугольной призмы между трубами подвержена неравномерному охлаждению, при этом формируется высокий температурный градиент, вызывающий чрезмерные внутренние напряжения. Расширяясь при быстром росте температуры окружающей их среды, шлаковый слой трескается и обваливается, оставляя незащищенной горячую поверхность труб.
Кроме того, панели таких конструкций требуют особого внимания к качеству используемых материалов (труб) и высокой квалификации персонала, изготавливающего водоохлаждаемые элементы. 3. Панели типа «сэндвич», в которых сочетаются огнеупоры с высоким коэффициентом теплопроводности и водоохлаждаемые элементы [27-29]. Но такие панели не нашли распространения. 4. Водоохлаждаемые холодильники, которые представляют собой охлаждаемые трубы, залитые чугуном, медью или другими металлами [30]. Такие панели более распространены в США, чем в Европе. Недостатком панелей подобного типа является то, что из-за значительной толщины их стенки и массы возникает необходимость усиливать кожух и свод печи, что приводит к повышению массы всего агрегата. Недостаточный отвод тепла от гладкой поверхности холодильника из-за большой толщины стенки, который усугубляется быстрым изменением температуры в печи, не позволяет формироваться защитному слою шлака. Это приводит к разрушению литых элементов холодильника. Оказавшиеся снаружи водоохлаждаемые трубы, обладающие низкой тепловой инертностью, в конце концов полностью отделяются от литого материала, вызывая преждевременную замену элемента. Кроме того, при заливке между трубами и литым блоком формируются щели, которые значительно снижают способность элемента поглощать тепло. 5. Медные панели с повышенной теплопроводностью, которые в меньшей мере подвержены тепловым ударам и отводят тепло быстрее, чем стальные панели.
Одновременно с водоохлаждаемыми панелями появляются водоохлаж-даемые своды, обладающие теми же преимуществами. Кроме того, водоох-лаждаемые своды более надежны, т.к. исчезает вероятность обвала огнеупоров. Обычно своды образованы панелями кессонного или трубного типа, в центре сводов расположена обечайка из огнеупоров, чтобы предотвратить замыкания между электродами и металлическими элементами свода.
Тепловые потери с охлаждающей водой составляют до 16%, и поэтому сталевары стремятся снизить это значение, например, применением вспененных шлаков, чтобы уменьшить излучение дуги на панели. Альтернативным способом снижения теплопотерь является применение систем испарительного охлаждения.
Срок службы водоохлаждаемых панелей зависит от их конструкции, материала, положения в печи и технологии производства стали. В ходе эксплуатации панели либо подвержены механическим повреждениям со стороны загружаемого в печь лома, либо выходят из строя в результате воздействия «экстремальной» окружающей среды, что проявляется, как правило, в виде растрескивания. Предположительно, это происходит из-за усадки горячей стороны и циклических тепловых ударов, поэтому медные водоохлаждаемые панели имеют более длительный срок службы, т.к. их более высокая теплопроводность смягчает тепловые удары. Панели могут выходить из строя также в результате замыкания электрической дуги на панель, неосторожной подачи кислорода в печь, их частичного погружения в расплавленный металл, хотя всех этих неприятностей можно избежать, если не нарушать технологию выплавки стали.
Расчёт плотности падающих потоков с поверхности ванны
Как видно из вышеизложенного, в своих рассуждениях Н.В.Окороков исходит из допущения о дуге как о точечном источнике излучения, с чем нельзя не согласиться, т.к. расстояния до расчетных точек многократно превосходят длину дуги. Как показали расчёты А.Н. Макарова [44], уже при расстояниях, превышающих в 5 раз длину дуги, последняя может быть принята за источник излучения бесконечно малых размеров. Однако Кеплером была получена формула для определения плотности потоков излучения, падающих от солнца на землю, т.е. для источников шарообразной формы. Изображая дугу цилиндром, Н.В. Окороков в аналитических рассуждениях использует допущение о дуге как об источнике бесконечно малых размеров шарообразной формы, что является ошибочным. Фотографирование дуги, киносъемка ее, проведенные многочисленными исследователями [41, 45-47], показывают, что электрическая дуга имеет геометрическую форму, приближающуюся к цилиндрической.
Формулы Н.В. Окорокова нашли практическое применение для анализа облученности поверхностей рабочего пространства печей различной мощности, а также для определения неравномерности облученности поверхностей рабочего пространства в зависимости от их удаленности от источников излучения [11]. При дальнейшем усовершенствовании методики Н.В. Окорокова - методики расчета плотностей потоков излучений от дуг - Г. М. Палием получены функции распределения падающих потоков излучений на поверхность футеровки [11]: где Pt — мощность /-той дуги; Нст - текущая высота стен печи; k=rI/rn — коэффициент, учитывающий размещение электродов; гп - радиус ванны на уровне поверхности жидкого металла; COS J, - направляющий косинус для соответствующей дуги; гр - радиус распада электродов. В 70-е годы в формулы Н.В.Окорокова ввели коэффициент экранирования, и формула (1.19) приняла вид: С1-23) где Кэ - поправочный коэффициент, учитывающий экранирование дуги электродом, шлаком и металлом. Поскольку определение коэффициента экранирования представляет большие трудности, то в инженерных расчетах его обычно опускали. В середине 70-х годов сотрудниками ВНИИЭТО были проведены исследования теплообмена в дуговых сталеплавильных печах, подтвердившие положения В. Пашкиса и Н.В. Окорокова о доминирующей теплоотдаче излучением от дуг электропечей для плавки стали. Были проведены эксперименты по разделению лучистой и конвективной составляющих теплового потока на дуговой сталеплавильной печи ДСП-200 завода "Красный Октябрь" [11]. Экспериментами обнаружено, что суммарные тепловые потоки, падающие на стены, свод на 85-95 % состоят из потоков излучений. Таким образом, была подтверждена точка зрения о том, что основным видом теплопередачи в дуговых сталеплавильных печах является радиационный теплообмен.
В это же время И.И. Игнатовым велась разработка математической модели теплообмена в дуговой сталеплавильной печи. Для расчета теплообмена в шихте им были разработаны численные методы, основанные на дифференциальных уравнениях теплообмена. В двумерном приближении полученная система уравнений теплообмена в шихте ДСП имеет вид [48]: где cM — теплоемкость металла; рм = рм (1 - m); рм, Тм, Хм - соответственно, плотность, температура и теплоемкость металла (твердая фаза); С2, рг = ргт теплоемкость и плотность газа, проходящего через металл; т - пористость среды; Тг - температура газа; qn, qMZ - объемная плотность потока излучения и потока между фазами системы металл-газ; qMe, qze - объемная плотность внутренних источников тепла, соответственно, в металле и газе; W — скорость газа; Р — давление; Ъ, - коэффициент гидравлического сопротивления.
Решение дифференциальных уравнений теплообмена (1.24) выполнялось на ЭВМ БЭСМ-б со следующими допущениями: мощность выделяется не под каждой дугой, а в некоторой кольцевой зоне (что не соответствует действительности) и равномерно распределяется в ее объеме; внутренние источники тепла от химических реакций распределяются по всему объему и начинают действовать при заданной температуре; внутренние источники образования газа заменяются притоком газа с энтальпией, получаемой в результате окисления углерода при расплавлении. Для открытого периода плавки стали в дуговых печах процесс теплообмена по методике И.И. Игнатова описывается системой интегральных уравнений: где Еэф(М,т), Есоб(М,т) - эффективное и собственное излучение в точке М; ДМ, г) - поглощательная способность в точке М; Р - текущая точка поверхности; г - время; к(М, P)=COS PM cos pp /kr2; срм, РР - углы между нормалями к поверхности S в точках М и Р и направлением МР\ г — длина отрезка MP; Еэф(Р,т ) - эффективное излучение в т. Р.
Все поверхности, участвующие в теплообмене, разбиваются на отдельные участки. Описанная модель реализована в виде нескольких программ и процедур на ЭВМ БЭСМ-б. На протяжении ряда лет описанная модель совершенствовалась и модернизировалась. На основании модели рассчитана тепловая работа дуговой сталеплавильной печи с обычной футеровкой и водо-охлаждаемыми панелями и газокислородными горелками [48].
Однако несмотря на множество задач, которые можно решать с помощью описанной математической модели теплообмена, в ней отсутствует математическая модель электрических дуг, отсутствует анализ работы электрических дуг плавильных печей, анализ влияния электрических, лучистых, геометрических параметров дуг на процессы распределения энергии в рабочем пространстве. По выражениям (1.24), (1.25) трудно сразу оценить влияние того или иного параметра дуги на теплообмен. Этого можно достичь только после решения на ЭВМ системы уравнений с заданными параметрами электрических дуг. В практике эксплуатации дуговых сталеплавильных печей необходимо управлять электрическими дугами. Задачи управления следующие: 1) быстрое расплавление шихты; 2) уменьшение числа обвалов шихты; 3) равномерное выделение электрической мощности в дугах; 4) выравнивание тепловых потоков по поверхности футеровки стен и свода; 5) снижение неравномерности нагрева металла в центре и на периферии; 6) уменьшение потоков излучений в открытый период на поверхности футеровки.
При разработке алгоритмов управления разработчику необходимо иметь ряд формул, связывающих электрические, тепловые и геометрические параметры электрических дуг с распределением энергии как в шихте, в закрытый период плавки, так и в свободном пространстве в открытый период плавки, т.е. иметь математическую модель электрических дуг.
Влияние периода плавки и местоположения панелей на распределение результирующих плотностей потоков в печи
Теплопередачу к охлаждающей панели воде исследовала созданная в Великобритании рабочая группа [72], которая изучала различные системы охлаждения с целью выбора оптимальной. Специально для этого была разработана модель теплообмена для литых и сварных панелей, покрытых шлаком и огнеупорами. Модель предполагала температуру в печи 1500 С, а охлаждающей воды 100 С с соответствующими толщиной и теплопроводностью стенок панелей и отложений на них, несмотря на то что источник данных неизвестен. Термическое сопротивление между слоем шлака или огнеупоров и горячей стенкой панели не учитывалось, но была рассчитана теплопередача через пограничный слой воды с учетом влияния давления на скорость движения воды. В заключении участники рабочей группы рекомендовали использовать сварные панели кессонного типа, покрытые шлаком как наиболее экономичные. Однако единой точки зрения по вопросам выбора рациональной конструкции панелей и схемы их размещения в настоящее время нет. Условия эксплуатации и стен, и панелей в значительной мере определяются условиями работы печи и её конструкцией. Например, экспериментальной установлено влияние изменений тепловой нагрузки на работу водоохлаждаемых элементов в зависимости от периода плавки [69]. М.Симон в своих исследованиях [73] старался соотнести теоретически рассчитанную теплопередачу через слой шлака и стенку панели с фактическими тепловыми потоками, определенными по температуре воды на входе и выходе из панели. Простая линейная модель была использована для расчета влияния шлака на теплопередачу путем измерения температуры воды на выходе из панели. Было обнаружено, что более 90% термического сопротивления между печью и охлаждающей водой образовано слоем шлака.
В современной электрометаллургии технология вспененных шлаков рассматривается как одно из основных средств энергосбережения, защиты водо-охлаждаемых элементов от чрезмерных тепловых потоков. Тем не менее в [74] указывается ряд вредных факторов вспенивания шлака, влияющих на протекание процессов. Вспенивание шлака сопровождается резким снижением скорости перехода кислорода из атмосферы печи через шлак и металл, интенсивность нагрева металла замедляется, усиливается теплоотдача от шлака футеровке печи. Низкие скорости окисления углерода и нагрева металла под вспененным, часто неоднородным, шлаком затрудняют условия получения качественного металла.
Основной фактор, влияющий на вспениваемость шлака, - это монооксид углерода, который образуется в результате взаимодействия углерода С, содержащегося в стали, с оксидом железа FeO в шлаке, углерода с вдуваемым в сталь кислородом и вдуваемым углеродом с FeO в шлаке по указанным ниже реакциям:
Факторы, характеризующие устойчивость пены, изучены недостаточно. Единой теории устойчивости пен пока не существует. Можно отметить лишь следующее. 1. Процесс пенообразования жидкостей связан с возникновением в массе жидкости газообразной дисперсной фазы и выделением её на поверхность в виде слоя пены. 2. Высота слоя пены зависит от количества пузырей пены, образующихся в единицу времени на поверхности, и от продолжительности существования единичных пузырей (устойчивости пены). 3. На процесс образования и устойчивости пены в той или иной степени влияют состав раствора и концентрация растворенного вещества, поверхностное натяжение и вязкость, температура раствора, степень дисперсности пены, гидродинамика процесса. 4. Разрушение пены при отсутствии внешних сил происходит под действием избыточного давления поверхностных сил внутри пузырей (ячеек) и в результате утончения их стенок при стекании раствора, заключенного между адсорбционными слоями, как под действием силы тяжести, так и под давлением поверхностных слоев. 5. Пена как термодинамическая неустойчивая система может существовать длительное время лишь в том случае, когда внутри нее происходят какие-либо процессы, упрочняющие составляющие пену пузыри и удлиняющие сроки их существования (увеличивающие её стабильность); при наличии в растворе поверхностно-активных веществ стабилизация пены может происходить вследствие кинетического фактора стабилизации адсорбционных слоев - эффекта Гиббса-Меренгони. С повышением температуры стабильность пены снижается. Общепризнанной теории, объясняющей причины вспенивания сталеплавильных шлаков, пока нет. Существуют различные точки зрения [74]. Так, СИ. Сапиро предложил не смешивать вспучивание шлака как следствие сопротивления шлака подъему пузырей и вспенивание шлака - явление, ассоциируемое СИ. Сапиро с пенистым кипением. Под пенистым кипением в данном случае понимают зарождение огромного количества мельчайших пузырей монооксида углерода СО критического размера на границе шлак - металл и увеличение их стабильности под влиянием механически прочных адсорбционных пленок. В.Я. Явойский определяет склонность шлака к вспениванию следующими факторами. 1. Поверхностной вязкостью шлака, т.е. механической прочностью поверхностной пленки, в свою очередь определяемой концентрацией поверх ностно-активных крупных анионов (кремнекислородных или кремнефосфо ристых комплексов). 2. Гетерогенностью шлаков, присутствием в них хорошо смачиваемых шлаком (лиофильных) твердых частиц. 3. Содержанием поверхностно-активных компонентов, вызывающих расклинивающий эффект и поверхностную диффузию в направлении только что образовавшихся участков пузыря (эффект Меренгони). 4. Температурой шлака; низкая температура определяет повышенные механическую прочность пленки, поверхностную вязкость шлака и замедленный характер растворения взвешенных в шлаке твердых частиц. 5. Интенсивностью и характером газового потока, пронизывающего слой шлака. Увеличение интенсивности газовыделения, а главное, степени дисперсности газовых пузырей, образующих поток, пронизывающий шлаковый расплав, приводит к росту вспениваемости шлака.
Результирующие тепловые потоки в панели горячей зоны в режиме открытого горения дуг
Отличительной особенностью печи является печной подогрев лома в шахте, объединенной с плоским сводом, которая позволяет производить подогрев ста процентов лома. Для этого в основании шахты расположены 15 "пальцев", на которых и лежит подогреваемый лом. Большое сечение шахты обеспечивает достаточно низкую скорость прохода отходящих газов, которые подогревают лом во встречном потоке. После выпуска плавки "пальцы" опускаются, и подогретый отходящими газами лом падает на подину. После завалки с «пальцев» открывается колпак шахты, и производится подвалка. Таким образом, разогретый металл плавится, а холодный лом нагревается образовавшимися отходящими газами. После расплавления всего загруженного лома появляется возможность закрыть "пальцы", на которые сразу же производится завалка лома для следующей плавки. Помимо косвенных экологических преимуществ шахты в связи со значительным сокращением расхода энергии, её наличие также непосредственно оказывает положительное влияние на окружающую среду. Столб лома внутри шахты действует как фильтр предварительной очистки для крупной пыли отходящих газов. Если на обычных высокомощных печах образуется 18-20 кг/т пыли, то на шахтной печи это количество снижается до 12-14 кг/т.
В любой высокомощной печи существует возможность неравномерного распределения энергии. Поэтому комбинированное использование электрической энергии и химической энергии в виде органического топлива оказалось оптимальным решением для достижения равномерного расплавления путём создания большого числа источников энергии.
Химическая энергия вводится в шахтную печь с помощью кислородных горелок, расположенных в нижней части шахты, и массивной добавки углерода и кислорода, вводимых через водоохлаждаемые фурмы. Горелки расположены в холодной зоне печи - под шахтой, и, кроме выравнивания температуры по периметру печи, используются для подрезки лома и его предварительного подогрева.
В печи "Фукс" используется водоохлаждаемая фурма с максимальным расходом кислорода до 4000 м /ч, которая, тем не менее, расположена в горячей зоне печи, поэтому применяется она довольно редко. Фурма опускается в печь и фиксируется на уровне 150-300 мм над уровнем металла. Скорость кислородной струи подобрана таким образом, чтобы она проникала сквозь шлак и взаимодействовала с углеродом в металле, не вызывая разбрызгивания металла. Для подачи кислорода в печи "Фукс" также используются два кислородных инжектора с расходом по 2500 м3/ч на каждый.
Для вспенивания шлака в печи совместно с кислородными инжекторами работают два угольных инжектора с максимальным расходом 60 кг/мин на каждый.
Печь "Фукс" - полностью водоохлаждаемая. Свободное пространство печи ограничено пятнадцатью водоохлаждаемыми панелями кожуха, пятнадцатью водоохлаждаемыми "пальцами" перед входом газов в шахту (рис. 3.1). Плоский свод образован пятью водоохлаждаемыми панелями. В центре свода расположена обечайка из огнеупоров для предотвращения замыкания электродов на свод. Шахта печи также полностью водоохлаждаемая.
После выпуска плавки производится осмотр и очистка сталевыпускного отверстия. Сталевыпускное отверстие закрывается слоем гранулята примерно на 100 мм выше уровня футеровки подины. Печь устанавливается в рабочее положение и непосредственно перед открытием «пальцев» включаются стеновые газокислородные горелки. После завалки с «пальцев» открывается колпак шахты, и производится подвалка. С учетом оставленного «болота», общая масса металла в печи составляет 145-150 т. Печь включают на 5-ю ступень напряжения, и после отработки 1,5 МВтч трансформатор переключают на 9-ю ступень напряжения. По отработке 10-12 МВтч в печь производят присадку первой порции шлакообразующих в количестве 3,0 т извести и 1,0 т доломита. Скорость подачи шлакообразующих составляет 0,4 т/мин (автоматический режим). Первую порцию шлакообразующих отдают до закрытия «пальцев». Одновременно с началом подачи шлакообразующих включают стеновые кислородные фурмы (инжектора) с минимальным расходом кислорода (2000 м3/ч на каждый инжектор). При этом шлак в печи должен быть жидкоподвижным, вспененным, закрывать дуги. При отсутствии вспененного шлака в печь вдувают коксовую пыль с помощью стенового угольного инжектора. Угольная пыль инжектируется в потоке азота. По отработке 15-И 7 МВтч разрешается работа сводовой кислородной фур-мой с минимальным расходом кислорода (2000 м /ч). После расплавления ванны, по отработке 20+25 МВтч, отключают печь, производят закрытие «пальцев», отводят колпак шахты и делают завалку шихты на следующую плавку. После закрытия «пальцев» в печь отдают вторую порцию шлакообра-зующих в количестве 2,5-КЗ,5 т извести. Первую пробу металла отбирают по расплавлению не менее 70% шихты. Параллельно отбирают пробу шлака. При содержании углерода в первой пробе менее 0,30- 0,35 % инжектора отключают, расход кислорода на сводовую фурму устанавливают 2000 м /ч. После достижения температуры 1620- 1660 С печь отключают и при необходимости дополнительного обезуглероживания продувают ванну кислоро-дом через сводовую фурму с расходом 2000- 2500 м /ч. Угольный инжектор в этом случае отключают. При отсутствии возможности вести продувку ванны сводовой кислородной фурмой разрешается работа инжекторами с мини-мальным расходом кислорода (2000 м /ч на каждый инжектор). Максимальное количество кислорода на продувку - до 6000 м3. Температура металла перед выпуском должна быть от 1640 до 1680 С. Перед выпуском плавки отобирают пробу металла и шлака на химический анализ, произвести замер температуры металла. При содержании углерода в металле менее 0,20 % концентрацию углерода в стали и температуру определяют с помощью прибора «Celox».
