Сало Е.В.

Днепродзержинский государственный технический университет

Тепломассообменные процессы при плавлении шихты в

дуговых сталеплавильных печах.

Процесс плавления шихты в различных сталеплавильных агрегатах (конвертерах, электропечах) происходит в течение значительной доли времени (до 40-60% продолжительности выплавки металла), поэтому знание закономерностей этого процесса имеет существенное значение для увеличения производительности агрегата, снижения энергозатрат, совершенствования выплавки металла.

В области электросталеплавильного производства сформировалась концепция технологии высшего уровня, где заметное место занимает выплавка металла с использованием остатка расплава («болота») от предыдущего цикла плавки.

На современном этапе в связи со значительным развитием вычислительной техники, а также сложностью и трудоемкостью постановки натурного эксперимента важнейшим инструментом анализа тепломассообменных процессов становится математическое моделирование.

Для исследования влияния массы остатка расплава на длительность расплавления шихты в стотонных дуговых сталеплавильных печах (ДСП) проведено математическое моделирование данного процесса. Расчет процесса нагрева и плавления шихты производится из следующих условий:

1. В начальный момент времени задается температура остатка расплава.

2. После завалки в «болото» расплавляется часть шихты (чугун и лом) и температура полученной кашицы на С выше температуры солидуса металла.

3. Общая масса первоначальной завалки составляет 60% от массы в конце расплавления, т.е. 40% массы в виде окатышей подваливается в процессе расплавления со скоростью 90-100т/ч .

4. Подвалка окатышей начинается при наличии 30т расплава. Подваливаемые окатыши попадают в зону пятна дуги. Слой окатышей располагается на зеркале металла и плавится за счет тепла жидкого металла и посредством излучения от дуг. После расплавления слоя окатышей на его место поступает следующая порция.

5. После 10мин. прогрева и плавления шихты происходит дополнительный подогрев расплава за счет экзотермических реакций окисления примесей при подаче кислорода.

6. Прогрев шихты осуществляется посредством теплопроводности и конвекции отходящих печных газов. В качестве расчетной области выбран вертикальный разрез печи относительно ее оси симметрии.

Геометрические размеры печи задаются размерами в радиальном направлении и по высоте печи.

Распределение температур в шихте и ее жидкой фазе описывается двухмерными уравнениями теплопроводности с источниками теплоты:

+, (1)

где эффективная теплоемкость определяется по формуле

(2)

теплоемкости твердой и жидкой фаз; Q-теплота фазового перехода в интервале температур ликвидуса и солидуса . Коэффициент теплопроводности для шихты определяется в виде

, (3)

где насыпная плотность лома и окатышей; теплопроводность твердого металла; степень черноты поверхности шихты; постоянная Стефана –Больцмана; среднее расстояние между центрами кусков; объемный коэффициент теплоотдачи.

Прогрев «болота» за счет выделяющегося тепла экзотермических реакций учитывается введением в уравнение теплопроводности (1) источникового члена , который принимает постоянное значение после 10 мин процесса подогрева и плавления шихты. Дополнительный подогрев шихты печными газами учитывается как источниковый член в уравнении теплопроводности (1).

Для 100т. ДСП в период расплавления равен 45 Вт/( ). Температура печных газов принимается равной температуре поверхностных слоев жидкой фазы шихты.

Граничные условия.

Вдоль оси симметрии печи тепловой поток равен нулю, т. е.

(4)

На верхней поверхности шихты, вдоль боковой стенки печи и днища теплообмен происходит в результате конвекции

, (5)

Где нормаль к соответствующим поверхностям шихты; коэффициент теплоотдачи.

В зоне пятна дуги задается лучистый теплообмен:

, где (6)

степень черноты поверхности металла.

Для численного решения уравнения теплопроводности с соответствующими граничными и начальными условиями применена неявная разностная схема с учетом расщепления тепловых потоков по координатам и .

На основании расчетов определена оптимальная масса оставляемого в печи расплава, при которой достигается наибольшая производительность.

Проведены расчеты изменения среднемассовой температуры расплава в зависимости от первоначального остатка расплава.

Получена динамика изменения жидкой фазы шихты в зависимости от массы оставляемого расплава.

Литература:

1. Тимошпольский В.И. Теплообмен и тепловые режимы в промышленных печах. Учебное пособие -Минск.: Высш.шк.,1992.- С. 214.

2. Павлюченков И.А.,Фоменко Е.Е., Сало Е.В. Численное моделирование динамики расплавления шихты в ДСП с использованием остатка расплава от предыдущего цикла // Моделирование физико-химических систем и технологических процессов в металлургии.-Новокузнецк,1991.-С.197.