Исследование процессов нагрева и плавления окатышей в ванне дуговой печи с целью повышения энергоэффективности электроплавки стали

• Автор: Черменев, Евгений Александрович
• Шифр специальности: 05.16.02
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2014
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 183 с. : ил.

Содержание
Введение

Глава 1. Состояние вопроса, задачи и методика исследования

1.1 Тепло-технологические особенности электроплавки металлизованных окатышей в ванне дуговой печи
1.2 Системы управления энерготехнологическим режимом при электроплавке окатышей в дуговой печи
1.3 Энергетические и технологические преимущества электроплавки стали с непрерывной загрузкой шихты (окатышей) в ванну печи
1.4 Шлаковый режим, обезуглероживание и выбор интенсивности подачи кислорода через ТКГ в дуговую печь

1.5 Оценка эффективности работы дуговых печей на трубчатых (полых) электродах

при электроплавке стали

1.6 Методы проведения экспериментов и моделирования тепло-технологических процессов и задачи исследования по данной проблеме
1.7 Выводы и заключение по Г лаве
Глава 2. Исследование и моделирование распределения тепловых потоков в дуговой
печи при образовании электрической дуги на выходе из осевого отверстия электрода в подэлектродном пространстве агрегата
2.1 Анализ теплообмена в дуговой печи при плавке металлизованных окатышей
2.2 Исследование процесса угара и нагрева металла при плавке окатышей в дуговой печи
2.3 Математическое описание распределения тепловых потоков, падающих от электрических дуг в рабочем пространстве печи
2.3.1 Разработка модели расчета функций падающих тепловых потоков от дуг в пространство печи
2.3.2 Результаты расчета теплообмена излучением в рабочем пространстве дуговой печи
2.3.3 Математическое описание цилиндрического источника излучения
2.4 Моделирование теплового состояния ванны ДСП
2.4.1 Постановка задачи моделирования теплового состояния ванны ДСП
2.4.2 Построение математической модели температурных полей в ванне ДСП
2.4.3 Разработка алгоритма модели и программы расчета параметров теплового состояния ванны ДСП
2.5 Анализ результатов моделирования теплового состояния ванны
2.6 Выводы по Главе
Глава 3. Исследование кинетических закономерностей процессов обезуглероживания
металла в дуговой сталеплавильной печи при электроплавке ЖМО
3.1 Термодинамические особенности развития окислительных процессов при обезуглероживании металла в сталеплавильных печах
3.2 Анализ работ по исследованию механизма обезуглероживания металла в сталеплавильных печах
3.3 Закономерности обезуглероживания металлической ванны переменной массы в дуговой печи
3.4 Математическое моделирование процесса обезуглероживания металла при

электроплавке окатышей в дуговой печи
3.5 Адекватность и результаты расчетов по модели обезуглероживания
3.6 Выводы по Главе
Глава 4. Исследование кинетики и механизма плавления окатышей в системе дуга-
шлак-металл, разработка математической модели и алгоритма расчета параметров нагрева и плавления ЖМО в ванне ДСП
4.1 Теоретические основы взаимодействия твердого тела с железоуглеродистым расплавом
4.2 Условия образования корочки на поверхности окатышей при их плавления в ванне дуговой печи
4.3 Интенсификация плавления окатышей при их загрузке на шлако-металлический расплав в зону воздействия электрической дуги
4.4 Разработка математической модели нагрева и плавления окатыша в системе дуга-шлак-металл
4.4.1 Построение математической модели плавления окатыша вне влияния электрической дуги в ванне ДСП
4.4.2 Разработка алгоритма и программы расчета плавления окатыша вне влияния электрической дуги в ванне ДСП
4.4.3 Построение математической модели плавления окатыша при подаче ЖМО в высокотемпературную зону электрической дуги под электродом
4.4.4 Разработка алгоритма и программы расчета плавления окатыша при подаче
ЖМО в высокотемпературную зону электрической дуги под электродом
4.5 Проверка на адекватность и анализ результатов моделирования процессов нагрева
и плавления окатыша в ванне дуговой печи
4.6 Выводы по Главе
Глава 5. Разработка энергосберегающей технологии электроплавки стали с
применением комплексной математической модели расчета процессов нагрева, обезуглероживания, плавления и загрузки окатышей через осевые отверстия электродов дуговой печи
5.1 Особенности модернизации и анализ методов повышения эффективности электросталеплавильного производства
5.2 Анализ работы АСУ-ТП и оптимизация электрического режима при электроплавке ЖМО в дуговой печи
5.3 Исследование эффективности электроплавки металлизованных окатышей при их непрерывной подаче через осевые отверстия электродов в ванну дуговой печи
5.4 Совершенствование метода загрузки ЖМО в ванну дуговой печи
5.5 Особенности работы системы управления режимом электроплавки стали с подачей окатышей в подэлектродное пространство агрегата
5.6 Совершенствование технологии электроплавки стали на основе применения комплексной модели расчета процессов нагрева, обезуглероживания, плавления и оптимизации процесса загрузки ЖМО в печь
5.7 Выводы и предложения по Главе
Заключение и общие выводы по работе
Библиографический список
Приложения

Введение
Общая характеристика работы
Актуальность работы
Для современного развитая электросталеплавильного производства с применением технологии переплавки железорудных металлизованных окатышей (ЖМО) в дуговых печах важным остаются проблемы достижения высоких технико-экономических показателей, повышения качества металлопродукции и снижения энергоемкости производства.
Одним из перспективных направлений производства электростали в дуговых сталеплавильных печах (ДСП) является применение непрерывной подачи ЖМО в ванну агрегата через осевые отверстия электродов в пространство высокотемпературных электрических дуг и на поверхность расплава под их воздействием, что является существенным отличием от типовой технологии электроплавки стали. В этой связи представляется актуальным и целесообразным изучить закономерности совместного протекания процессов нагрева и плавления окатышей в сложной многофазной системе дуга-шлак-металл, проанализировать физико-химические и тепло-массообменные особенности плавления потока ЖМО в шлакометаллической ванне печи, разработать математическую модель и алгоритм оптимального управления параметрами хода электроплавки стали.
Цель работы: разработка теоретических основ и обоснование эффективности технологии электроплавки стали на основе применения непрерывной подачи металлизованных окатышей через осевые отверстия электродов в подэлектродное пространство ванны дуговой печи.
Основные задачи:
1. Выполнить экспериментальные исследования на горячей модели с анализом теплообмена в системе дуга-расплав, процессов нагрева и плавления ЖМО в ванне печи при их подаче через осевое отверстие электрода.
2. Изучить процессы распределения и усвоения тепла в системе дуга-расплав, окисления углерода металла, нагрева и плавления ЖМО в условиях их подачи в подэлектродное пространство ванны дуговой печи.
3. Разработать математические модели теплового состояния шлако-металлической ванны ДСП, процесса обезуглероживания при подаче ЖМО и использовании ТКГ, а также нагрева и плавления окатыша в агрегате.
4. Выполнить, используя полученные математические модели, расчет теплового состояния и внешнего теплообмена, анализ распределения температур в объеме шлакометаллической ванны и оценку угара железа с поверхностей менисков и параметров режима плавления окатыша, при различных условиях его подачи в ванну дуговой печи.
5. Исследовать процессы электроплавки стали при подаче ЖМО в подэлектродное пространство ванны 150 т дуговой печи для осуществления оптимального управления параметрами температурно-шлакового и энергетического режимов с обеспечением энергоэффективности и ресурсосбережения.
Научная новизна
1. Показано, что подача металлизованного сырья через осевые отверстия электродов существенно ускоряет процессы нагрева и плавления потока окатышей, при этом трубчатые (полые) электроды используются в качестве элементов оборудования дуговой печи для непрерывной загрузки сыпучих материалов в объем электрических дуг и зону высокотемпературного шлако-металлического расплава, которая отвечает требованиям

4. Вследствие увеличения мощности электрической дуги достигается сокращение длительности периода плавления и снижается удельный расход электроэнергии на -3-5%.
5. В некоторых случаях работа на трубчатых электродах способствует увеличению стойкости футеровки стены и свода, что объясняется меньшим выдуванием электрических дуг из-под них.
6. При работе на трубчатых электродах (в сравнении со сплошными) повышается их удельный расход. Для печи емкостью 15 т перерасход их колебался в пределах 2-10%, включая расход электродов на окисление, распыление в зоне дуги и поломку.
Изучение процессов нагрева и плавления окатышей осуществляли в лабораторных условиях на электропечной установке (ЭПУ) (рис. 1.24) (Приложение 1). В ходе электроплавки были получены опытные данные по изменению химического состава металла и шлака, температуры металла, распределения тепловых потоков, теплоусвоения ванны, состава
отходящих газов, вспенивания шлака, что позволило оценить эффективность
экспериментальной плавки в сравнении с типовой (рис. 1.2), при использовании подачи окатышей в межэлектродное пространство вне зоны воздействия дуг на расплав.
Провели эксперименты по работе ЭПУ на различных типах электродов. В качестве источника питания использовали сварочный выпрямитель ВД-306УЗ. Для изучения нагрева электрической дугой, создаваемой типовым (сплошным) и трубчатым электродами, проводили исследования на ЭПУ (рис. 1.24), с использованием металлической пластины вместо тигля (1). Для определения интенсивности прогрева заготовки измеряли температуру при помощи двух термопар вмонтированных с противоположенных сторон пластины, которые
обеспечивают точность измерения около 10%. На ЭПУ использовали электроды (4) трех типов: обычного сплошного, трубчатого без сквозного и со сквозным отверстием. Наружным диаметром Э)л Рис. 1.24. Схема экспериментальной = 40 мм> а отверстия (1ота = 12 ММ. Для Электрода СО
электропечной установки: 1 - тигель; 2 — металл;
, . <- сквозным отверстием провели эксперимент С
3 - шлак; 4 - электрод с осевым отверстием; 5 - у 1 *
стойка; 6 - сварочный выпрямитель; 7 - подачей через него аргона. В ходе эксперимента
электрическая дуга; 8 - термопара; 9 - непрерывно замеряли напряжения и токи
милливольтметр; 10-летка для выпуска металла; электрической Дуги, а также фиксировали
11 — баллон: 12 — расходомер
р А р начальную, конечную температуру заготовки и
время работы установки. Для изучения
расплавления шихты электрической дугой, создаваемой типовым (сплошным) и трубчатым
электродами, проводили исследования на ЭПУ (рис. 1.24) с теми же типами электродов. В
качестве шихты использовали металлическую стружку и шарикоподшипники. Время плавления
Рис. 1.23. Схема горения электрической дуги по данным работ [43,46,47]: А — сплошной электрод; Б -трубчатый электрод