Оптимизация конструкции дуговой сталеплавильной печи энергометаллургического комплекса методом компьютерного инженерного анализа
, аспирант кафедры СЛиТКМ ТулГУ. Тел. 8-910-155-51-35.
Email: *****@***ru.
Представлены результаты математического моделирования процесса получения жидкого железа прямого восстановления на базе уравнения термодинамического состояния веществ. Описаны результаты исследования влияния конструктивных элементов печи на движение расплава и распределение концентраций и температуры по объёму расплава.
The results of mathematical modeling of the process of producing liquid DRI based on the thermodynamic state equation substances. The results of studies of the effect of structural elements on the motion of the melt furnace and the concentration distribution and temperature of the melt volume.
Ключевые слова: физико-математическое моделирование, электродуговая сталеплавильная печь, железо прямого восстановления, газификация угля.
Keywords: physical-mathematical modeling, electric arc furnace, direct reduced iron, coal gasification.
Список подаваемых материалов: угольный порошок, оксид железа, кислород.
, аспирант кафедры СЛиТКМ, Тульский государственный университет.
Адрес: 300053, б.
Объектом оптимизации является электродуговая печь для плавки стали непрерывного действия (ДСП). Исходными материалами процесса являются кислород и порошки руды и угля. В печи протекает процесс восстановление оксидов железа растворенным в железе углеродом. Так же осуществляется процесс получения газообразного топлива из находящегося в растворе с железом угля, реагирующего с расплавленными оксидами железа, поступающими в ДСП из железной руды, и жидкими оксидами железа, образующимися при подаче газообразного кислорода внутрь объема железоуглеродного расплава рис.1.
Рис. 1. Устройство дуговой сталеплавильной печи энергометаллургического комплекса:
1 – корпус печи; 2 –электроды; 3 – фурмы для подачи железной руды;
4 – фурмы для подачи угольного порошка; 5 – летка слива железа прямого восстановления; 6 – летка слива шлака; 7 – кислородная фурма
Дуговая сталеплавильная печь имеет корпус, в котором наводится металлическая и шлаковая ванны, три графитовых электрода, три донные фурмы для подачи шихты (железорудного концентрата) и три донные фурмы для подачи порошкообразного угля. Порошкообразный уголь подается в большом количестве для осуществления реакции восстановления железа из поступающего в ДСП железорудного концентрата. Три кислородные фурмы ориентированы для подачи кислорода в объем железоуглеродистого расплава. Электрические дуги используются для начального создания объёма расплава и для управления процессом. Железная руда и уголь имеют меньшую плотность, чем расплав и перемещаются вверх к поверхности расплава, создавая конвективное течение расплава, которое усиливается кислородными струями. Это течение обеспечивает распределение оксидов железа и углерода по объёму и возможность реакции между ними, при которой выделяется значительное количество монооксида углерода. По мере подачи железной руды и угольного порошка уровни металлической и шлаковой ванн поднимаются. В ходе гибридного процесса положение графитовых электродов регулируют, поддерживая постоянную длину (напряжение) электрических дуг.
Задачей является определение оптимального расположения конструктивных элементов печи, при котором обеспечивается равномерное распределение температуры и концентации реагентов по объёму печи. Решение этой задачи возможно толко методами компьютерного инженерного анализа, основанными на физико-математическом моделировании процессов в изучаемом объекте. Критериями оценки являются термодинамическое состояние материалов в печи и химический состав расплава. Так как процесс протекает во времени и пространстве, то термодинамическое состояние непрерывно изменяется вследствие выделения теплоты электрической дугой и химическими реакциями. Химический состав также непостоянен вследствие протекающих реакций и подачи элементов во время плавки.
Физико-математическое моделирование процесса заключается в решении системы дифференциальных уравнений энергии и массопереноса.
Так как дуговая печь близка по форме к телу вращения, то при моделировании будет использоваться цилиндрическая система координат: радиального расстояния от оси симметрии r, угла поворота j относительно плоскости оси электрода и расстояния от пода печи z.
Пространство моделирование условно разделено на области, рис.1: E – область угольных электродов; D – область электрических дуг; R – область расплавленного шлака; M – область расплава металла; F – область футеровки печи; G – область газовой среды. Каждая из областей в зависимости от свойств веществ и процессов, происходящих в ней, описывается специальной системой уравнений.
Во всех указанных областях ДСП протекает нестационарный термодинамический процесс, который описывается изменением энтальпии H(t) множества точек пространства во времени t. Нестационарное линейное уравнение теплопроводности в цилиндрической системе координат r, j, z имеет вид
, (1)
где T – температура точек пространства; l – коэффициент теплопроводности среды, зависящий от координат расположения точки в пространстве, типа вещества и температуры в этой точке; vr, vφ, vz – скорости движения вещества в направлении соответствующих координат, qi, qs – удельные значения мощности выделения и поглощения теплоты в данной точке пространства.
В жидком металле действует давление, возникающее вследствие подачи через донные фурмы Fe2O3, C и выделения СО, а также меньшей плотности данных веществ по сравнению с расплавом. Кроме того, струи кислорода создают давление на поверхности металлической ванны. Суммарное давление от перечисленных факторов вызывает перемещение расплава.
Течение жидкости описывается уравнением Навье - Стокса, которое в цилиндрической системе координат имеет вид
, (2)
где vr, vφ, vz – составляющие скорости течения в направлении соответствующих координат; r – плотность расплава; p – давление в данной точке пространства; h – динамическая вязкость.
Распределение давления в расплаве определяется при решении уравнения неразрывности
, (3)
где E – модуль упругости; pg – гравитационное давление.
Концентрация элементов в расплаве изменяется при плавлении компонент шихты и перехода элементов металлошихты в расплав, химического взаимодействия элементов в расплаве и перемещения продуктов взаимодействия потоком жидкости. Изменение концентрации Ci i-го элемента расплава описывается уравнением переноса
, (4)
где Di – коэффициент диффузии i-го элемента в жидком железе; 
– скорости движения расплава, определяемые из решения уравнения Навье - Стокса.
Результаты моделирования представлены текущими распределениями по объёму расплава: интенсивности объёмного тепловыделения; энтальпии и температуры; плотности расплава; гравитационного давления; скоростей движения расплава в направлении каждой из координат; концентраций каждого из веществ.
Различие давлений создаёт потоки в расплаве. Кроме того, в следствии подачи струй кислорода осуществляется вращательное движение расплава в направлении ортогональных координат в плоскости поперечного сечения 
. Подача порошка углерода и оксида железа вызывает движение расплава в виде трёх вертикальных вихрей 
. Движение расплава вызывает перемещение углерода и оксида железа в объёме расплава и определяет распределение их концентрации CcCFeO.
Электрические дуги и окисление углерода нагревают приповерхностную область расплава, соответственно температура поверхностных слоёв выше. В придонные слои поступают холодные углерод и оксид железа, реакция взаимодействия между которыми поглощает тепло, что снижает температуру расплава.
Теплоперенос осуществляется исключительно потоками расплава, которые выравнивают температуру по объёму.
Влияние конструктивных характеристик печи на процесс плавки. Было проведено исследование влияния расположения донных фурм для подачи угля и железной руды и расположения электродов на движение расплава и распределение концентраций и температуры по объёму расплава.
Так как реакция восстановления железа протекает в центральной зоне массы расплава с большим поглощением тепла, а источники теплоты – реакция окисления углерода потоками кислорода и электрические дуги действуют на поверхности расплава, температура в печи распределена очень неравномерно. Расположение фурм оказывает значительное влияние на неравномерность распределения температуры, рис. 2.
Рис. 2. Распределение температур в разных сечениях ДСП п при диаметре центров фурм: а)200 см; б) 400 см; в) 420 см
При малом диаметре центров фурм, рис. 2а, в нижней центральной зоне реакция поглощения теплоты, рис. 2в, понижает температуру расплава до недопустимого уровня (до температуры кристаллизации) несмотря на высокие значения температуры на поверхности расплава. По мере удаления центров фурм от центра, распределение температуры становится более равномерным. Но уменьшение неравномерности температур существенно при увеличении диаметров центров фурм до значения, равного 0,71 внутреннего диаметра печи, рис.2в.
Более равномерного распределения температуры удалось добиться при уменьшении диаметра центров электрических дуг, рис. 3б, т. е. за счёт более равномерного распределения тепловыделения на поверхности расплава.
Рис. 3. Распределение температур в разных сечениях ДСП п при диаметре центров электрических дуг: а)420 см; б) 200 см; в) 200 см и повороте электродов и кислородных фурм на 30о
Но наиболее равномерное распределение температуры в печи обеспечивается при сдвиге осей электрических дуг и зон окисления углерода струями кислорода относительно центров донных фурм на 30о, рис. 3в. Это объясняется тем, что теплоперенос в печи осуществляется преимущественно движением расплава.
На рис. 4 показано распределение температур и давлений на поверхности расплава, и концентрации моноокиси углерода, которая выделяется при восстановлении железа и которая соответствует интенсивности поглощения теплоты.
Рис. 4. Распределение температур (а), давления (б) на поверхности расплава и концентрации монооксида углерода (в) на глубине 1/3 толщины расплава при диаметре центров электродов (1) 200 см, диаметре центров кислородных фурм (1) и фурм для подачи угольного порошка (3) и руды (4) 420 см
Под действием подачи железной руды, углерода через донные фурмы (3, 4, рис. 4в) и струй кислорода, касательно направленных на поверхность расплава (2, рис. 4а, б), возникает давление, которое на поверхности имеет ярко выраженные зоны растяжения (А, рис.4б) и сжатия (Б, рис.4б). Это давление создаёт сложное вихревое движение расплава, направленное вверх от донных фурм и вниз в зоне воздействия струй кислорода. При сдвиге кислородных фурм на 30о зона тепловыделения реакции окисления углерода кислородом оказывается в зоне нисходящего потока расплава. Этот поток уносит расплав, нагретый этой реакцией и электрическими дугами, в зону эндотермической реакции восстановления железа.
Разработанная компьютерная модель гибридного процесса получения жидкого железа прямого восстановления и газификации углерода в дуговой сталеплавильной электропечи энергометаллургического комплекса позволяет решить задачу оптимизации конструкции элементов ДСП и технологии ведения данного процесса. Полученные результаты численного эксперимента показывают, что наиболее рациональной является конструкция дуговой плавильной печи, при которой центры нижних фурмы для подачи измельчённых руды и угля расположены от оси печи на расстоянии 0,71 её внутреннего диаметра. Центры зон воздействия кислородных струй и электрических дуг сдвинуты относительно центров донных фурм на угол 30о. Центры электрических дуг желательно расположить ближе к оси печи, на расстоянии, равном 0,35 – 0,5 внутреннего радиуса печи.
Выводы
1. Разработана физико-математическая модель функционирования энергометаллургического процесса получения железа прямого восстановления, в котором измельчённые железная руда и уголь подаются в расплав железа через шесть равнорасположенных донных фурм, а поверхность расплав нагревается реакцией окисления углерода струями кислорода и электрическими дугами.
2. Разработаны метод и алгоритм численного решения для выполнения численного исследоваля влияния расположения фурм для подачи руды, угля, кислорода и электродов на распределения по объёму расплава скоростей его движения, концентраций окиси железа, углерода и моноокиси углерода, интенсивности выделения и поглощения теплоты и температуры расплава.
3. Показано, что равномерное распределение температуры в расплаве железа, необходимое для нормального протекания процесса, обеспечивается при расположении зон выделения теплоты на поверхности расплава над зонами нисходящих вихревых потоков, возникающих в расплаве при подаче руды и угля и струй кислорода.
4. Установлено, что наиболее рациональной является конструкция дуговой плавильной печи энергометаллургического комплекса, при которой центры нижних фурмы для подачи измельчённых руды и угля расположены от оси печи на расстоянии 0,71 её внутреннего диаметра. Центры зон воздействия кислородных струй и электрических дуг сдвинуты относительно центров донных фурм на угол 30о. Центры электрических дуг желательно расположить ближе к оси печи, на расстоянии, равном 0,35 – 0,5 внутреннего радиуса печи.
Список литературы
1. , Самарский математической физики. – М.: Наука, 1972.– 735 c.
2. Тихонов, моделирование технологических процессов и метод обратных задач в машиностроении /, , . – М.: Машиностроение, 1990. – 264 с.
3. Белащенко, моделирование жидких и аморфных веществ /. – М.: МИСИС, 2005. – 408 с.
4. Рябов способы выплавки стали в дуговых печах / , , – М.: Теплотехник, 2007. – 192 с.
5. Modelling, Optimization and Control of an Electric Arc Furnace / Richard MacRosty. - Hamilton: McMaster University, 2005. – 160 p.
Подписи под рисунками
Рис. 1. Устройство дуговой сталеплавильной печи энергометаллургического комплекса:
1 – корпус печи; 2 –электроды; 3 – фурмы для подачи железной руды;
4 – фурмы для подачи угольного порошка; 5 – летка слива железа прямого восстановления; 6 – летка слива шлака; 7 – кислородная фурма
Рис. 2. Распределение температур в разных сечениях ДСП п при диаметре центров фурм: а)200 см; б) 400 см; в) 420 см
Рис. 3. Распределение температур в разных сечениях ДСП п при диаметре центров электрических дуг: а)420 см; б) 200 см; в) 200 см и повороте электродов и кислородных фурм на 30о
Рис. 4. Распределение температур (а), давления (б) на поверхности расплава и концентрации монооксида углерода (в) на глубине 1/3 толщины расплава при диаметре центров электродов (1) 200 см, диаметре центров кислородных фурм (1) и фурм для подачи угольного порошка (3) и руды (4) 420 см
Рис.1
Рис.2
Рис.3
Рис.4
, аспирант кафедры СЛиТКМ, Тульская область, Киреевский район, г. Болохово, Садовый переулок, . 8-910-155-51-35, *****@***ru.
