Исследование режима плавления металлизованных окатышей в ванне дуговой печи с целью интенсификации процесса электроплавки стали тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.16.02, кандидат технических наук Гришин, Андрей Анатольевич

• Гришин, Андрей Анатольевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гришин, Андрей Анатольевич

Введение.

Глава 1. Современное состояние проблемы, постановка задачи и методика исследования.!.

1.1. Особенности технологии электроплавки стали при непрерывной подаче металлизованных окатышей в ванну дуговой печи.

1.2 Анализ путей интенсификации энерготехнологического режима электроплавки стали с применением металлизованных окатышей.

1.3 Анализ существующих моделей плавления металлизованных окатышей в ванне дуговой печи.

1.4 К вопросу о кинетике и механизме плавления металлизованных окатышей в железоуглеродистом расплаве.

1.5 Постановка задачи и методика исследования.

1.6 Выводы по главе 1.

Глава 2. Исследование процесса плавления металлизованных окатышей в расплаве методом холодного моделирования.

2.1 Разработка методики и экспериментальной установки для исследования процесса плавления твердого шарообразного тела в условиях ванны дуговой печи.

2.1.1 Разработка методики моделирования скорости плавления металлизованных окатышей в расплаве при вынужденной конвекции.

2.1.2 Разработка методики моделирования скорости плавления металлизованных окатышей в расплаве при свободной конвекции.

2.3. Анализ результатов исследования и вывод уравнения для определения скорости плавления металлизованных окатышей в ванне дуговой печи.

2.4 Выводы по главе 2.

Глава 3. Исследование механизма образования гарнисажной корочки при подаче окатышей в ванну дуговой печи.

3.1 Методика и установка для экспериментального изучения механизма образования гарнисажной корочки.

3.2 Исследование структуры металлизованных окатышей до погружения в железоуглеродистый расплав.

3.3 Исследование структуры металлизованных окатышей после погружения в железоуглеродистый расплав.

3.4 Исследование влияния свойств расплава на размеры образования гарнисажной корочки.

3.5 Выводы по главе 3.

Глава 4. Исследование процесса обезуглероживания электросталеплавильной ванны с изменяющейся массой металла в ней.

4.1 Исследование закономерностей процесса обезуглероживания металла в ванне 150 т. дуговой печи.

4.2 Использование математической модели режима обезуглероживания металла для разработки алгоритма прогнозирования поведения углерода в железоуглеродистом расплаве.

4.3. Влияние режима обезуглероживания металла на уровень перемешивания ванны и интенсивность плавления ЖМО в дуговой печи.

4.4 Выводы по главе 4.

Глава 5. Разработка рациональной технологии электроплавки стали на основе синхронизации процессов обезуглероживания, плавления и загрузки окатышей в печь.

5.1 Исследование тепловых потоков в рабочем пространстве дуговой сталеплавильной печи.

5.2 Разработка принципа управления эенерготехнологическим режимом электроплавки на основе учета параметров теплового состояния сталеплавильной ванны.

5.3. Определение оптимальных параметров алгоритма управления скоростью загрузки металлизованных окатышей в ванну дуговой печи.

Выводы по главе 5.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование режима плавления металлизованных окатышей в ванне дуговой печи с целью интенсификации процесса электроплавки стали»

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 (е, 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 7 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-Ю,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 гарнисажной 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 гарнисажной 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 2425 октября 2005 г.; III международной научно-практической конференции 9

Металлургическая теплотехника: история, современное состояние, будущее. К столетию со дня рождения М.А. 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.

Заключение диссертации по теме «Металлургия черных, цветных и редких металлов», Гришин, Андрей Анатольевич

6. Общие выводы и заключение

1. В результате выполненных исследований в лабораторных и промышленных условиях установили закономерности электроплавки ЖМО в ванне ДСП, с учетом образования гарнисажной корочки на поверхности окатыша, при его попадании в расплав и опытным путем впервые обоснована актуальность применения режима загрузки окатышей в печь синхронно со скоростью их плавления при значениях углерода в пределах от 0,15 до 0,3% при оптимальном уровне теплового состояния ванны.

2. На основе метода физического моделирования разработана методика и установка для определения скорости плавления металлизованных окатышей в ванне дуговой печи с учетом размера окатышей, степени перегрева расплава над ликвидусом и параметров гидродинамики сталеплавильной ванны.

3. Исследован механизм образования гарнисажной корочки на поверхности металлизованного окатыша при его попадании в железоуглеродистый расплав, а также получено уравнение для определения толщины гарнисажа в зависимости от теплофизических характеристик материала, температуры расплава и удельной теплоты плавления. Установлено, что размеры гарнисажной корочки существенны и ее необходимо учитывать при расчете времени плавления окатыша. Так, по результатам экспериментов время плавления окатыша составляет от 14 до 18 е., а с учетом корочки оно больше на 15-20%.

4. Рассмотрены особенности процесса обезуглероживания сталеплавильной ванны при непрерывной подаче металлизованных окатышей в ванну дуговой печи. Определены основные константы процесса для условий ЭСПЦ ОАО «ОЭМК» при двух вариантах продувки металла кислородом, т.е. при использовании погружной водоохлаждаемой фурмы и с применением топливно-кислородных горелок. При этом, получено уравнение для расчета концентрации углерода в ванне дуговой печи при докритических

С]<0,15) его концентрациях. Установлена зависимость коэффициента использования углерода расплавом от основных факторов, влияющих на процесс.

5. Аналитически получено уравнение для учета результирующего теплового потока от электрических дуг на поверхность шлака, с учетом отражения лучистых потоков от свода и стен печи в окислительный период расплавления ЖМО в ванне дуговой печи по закону Ламберта. Несомненным преимуществом данного уравнения является получение непрерывной зависимости плотности теплового потока, что повышает точность расчета.

6. Разработан принцип оптимального управления загрузкой металлизованных окатышей в ванну дуговой печи, на основе соблюдения равенства скорости загрузки и скорости плавления ЖМО, с учетом согласованного хода процесса нагрева и обезуглероживания металла в оптимальной области перегрева расплава над ликвидусом.

7. Разработана математическая модель, алгоритм и программа расчета на ЭВМ распределения тепловых потоков в рабочем пространстве ДСП, позволяющая определять текущие значения результирующего теплового потока на ванну и теплосодержание металла, что обеспечивает при экранировании электрических дуг в шлаке эффективное управление энерготехнологическим режимом электроплавки.

8. Предложена рациональная технология электроплавки ЖМО с контролем температуры металла, степени перегрева ванны и параметров энерготехнологического режима в условиях интенсификации процесса топливно-кислородными горелками. Опытным путем установлено, что применение рекомендуемой технологии плавки ЖМО позволяет сократить до 10% длительность плавки снизить на 35 кВт-ч/т удельный расход электроэнергии, а также повысить скорость загрузки ЖМО в ванну до 35 кг/с и повысить производительность печи примерно на 7%.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гришин, Андрей Анатольевич, 2006 год

1. Лопухов Г.АЛ Эволюция сталеплавильного производства к 2010 году. Электросталь. № 5, 2002 г. С. 2-3.2. "World steel in figures ". 2003, International iron and steell institute.

2. Милович P. Некрасов B.M., Сунягин B.P., Дюбанов В.Г.// Инжекционные технологии и возможность их внедрения в производство. Электрометаллургия. № 6, 2002 г. С. 2-14.

3. Кудрин Б.И.// Ретроспективный и перспективный взгляды на электропотребление в электрометаллургии* Часть II. Электрометаллургия. № 11, 2003 г. С. 3-13.

4. Богданов С.В. Акулов О.С.// Поиск путей выхода из кризиса отечественной металлургии. Электрометаллургия. № 6, 2002 г. С. 1417.

5. Кудрин Б.И.// Ретроспективный и перспективный взгляды на электропотребление в электрометаллургии* Часть III. Электрометаллургия. № 12, 2003 г. С. 3-11.

6. Белянчиков JLH. Григорян В.А., Стомахин А.Я. Теоретические основы электросталеплавильных процессов М.: Металлургия, 1987 г., 272 с.

7. Шалимов А.Г. Трахимович В.И. Использование железа прямого восстановления при выплавке стали- М.: Металлургия, 1982 Г., 248 с.

8. Михайликов А.С. Амдур A.M., Братчиков С.Г., Ереметов A.M., Дедовской В.М., Фомин A.M.// Массообмен при взаимодействии металлизованных окатышей с расплавом. Изв. вуз. Черная металлургия. № 11,1988 г. С. 42-44.

9. Гейхман М.В. Кузнецов JI.H. Совершенствование выплавки электростали с использованием металлизованного сырья при дуговом нагреве Бюл. «Черметинформация», 1982 г., 30 с.

10. Хохлов О.А. Фомин A.M., Дедовской В.М.// Интенсификация процесса выплавки стали на ОЭМК. Сталь. № 1, 1988 г. С. 40-43.

11. Гульденмунд И. Шумахер О.// Плавление губчатого железа в 35т. дуговой электропечи. Черные металлы. № 16, 1974 г. С. 9-19.

12. Шенк Т. Отмар Г, Даль В.// Влияние применения губчатого железа на показатели работы дуговой электропечи. Черные металлы. № 8, 1976 г. С. 12-21.

13. Наката X. Фудзита С.// Непрерывная плавка металлизованного продукта в дуговой электропечи. ДЭНКИ СЭИКО. № 4, 1979 г. С. 233245.

14. Затаковой Ю.А. Анисимов Н.К., Коргизов Б.В., Фомин В.И.// Совершенствование работы дуговых сталеплавильных печей, использующих в шихте металлизованные окатыши. Сталь. № 7, 2000 г. С. 24-26.

15. Якшук Д.С. Эндерс В.В., Лейнвебер Е.И., Дьяченко Ю.В.//. Сталь. № 11, 1998 г. С. 29-31.17