Размещено на http://www.allbest.ru/

ІНСТИТУТ ПРОБЛЕМ МАШИНОБУДУВАННЯ ІМ. А.М. ПІДГОРНОГО НАН УКРАЇНИ

Спеціальність 05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

УДК 532.5.072.12

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

ПІДВИЩЕННЯ ЕНЕРГОЕФЕКТИВНОСТІ ЕЛЕКТРОДУГОВИХ ПЕЧЕЙ

Ялова Катерина

Миколаївна

Харків-2010

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі промислової теплоенергетики Дніпродзержинського державного технічного університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Павленко Анатолій Михайлович Дніпродзержинський державний технічний університет МОН України, декан енергетичного факультету.

Офіційні опоненти:доктор технічних наук, професор Братута Едуард Георгійович Національний технічний університет „Харківський політехнічний інститут” МОН України, професор кафедри теплотехніки та енергоефективних технологій.

кандидат технічних наук, доцент Радченко Юрій Миколайович Національна металургійна академія України МОН України, доцент кафедри теплотехніки та екології металургійних печей.

Захист відбудеться «_3__»__червня___2010р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.180.02 Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного Національної академії наук України за адресою: 61046, м. Харків, вул. Дм. Пожарського 2/10.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного Національної академії наук України за адресою: 61046, м. Харків, вул. Дм. Пожарського, 2/10.

Автореферат розісланий «_30___»__квітня_________2010 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наукО.Е. Ковальський

1. ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. У світовому виробництві сталі спостерігається суттєве збільшення долі електросталеплавильного виробництва, що зумовлено тим, що воно відрізняється більш низькими показниками енергоємкості, викидів в навколишнє середовище, а також гнучкістю використання різних видів шихтових матеріалів. В цілому, прогнозується, що до 2015 року світове виробництво електросталі складе приблизно 35-40 % від загального об'єму виробленої сталі, а в Україні це значення складе 8-10 %. Зростання дефіциту енергоресурсів і їх вартості викликає необхідність пошуку ефективних технологічних рішень при створенні нових і модернізації діючих дугових сталеплавильних печей, використання альтернативних джерел теплоти, удосконалення існуючих технологічних процесів для зниження питомих витрат енергоносіїв. Оптимізація технологічних процесів в дугових печах з метою скорочення енергоспоживання і тривалості плавлення є важливою і актуальною задачею.

Процес плавлення металошихти в електродугових печах відбувається на протязі значної долі всієї плавки (до 80 % від загальної тривалості), тому дослідження теплофізичних закономірностей плавлення має важливе значення для збільшення продуктивності агрегату, зниження енерговитрат і вдосконалення способів розплавлення металошихти.

Незважаючи на актуальність пошуку енергозберігаючих режимів і схем завантаження при розплавленні металошихти у дугових печах, цьому питанню присвячено досить обмежений перелік робіт. В теперішній час в літературі подано інформацію щодо залежності тривалості плавки від енергетичного режиму печі. Однак, процес плавлення не розглядається достатнім чином з точки зору теорії тепломасообміну з врахуванням законів і механізмів передачі теплоти на кожній окремій стадії теплової роботи печі і в процесі плавки в цілому.

Відповідно до цього ставиться задача розвитку теоретичних уявлень щодо тепломасообміну у пористому об'єкті з рухомою границею розділу фаз при дії внутрішніх теплових джерел та нелінійних крайових умов на прикладі розплавлення металошихти в робочому просторі дугової печі.

Здійснені в рамках дисертаційної роботи дослідження визначають тепломасообмінні процеси, що мають місце при розплавленні металошихти з урахуванням теплофізичних особливостей, притаманних кожному етапові теплової роботи печі. Встановлені теплофізичні аспекти використання додаткових джерел теплоти з метою інтенсифікації процесів теплообміну. Визначено вплив маси завантаження твердої шихти на основні технологічні та економічно важливі показники: тривалість плавлення, загальні і питомі витрати електроенергії, маси отриманого розплаву.

Зв'язок роботи з науковими програмами і науковими напрямками:

Тематика роботи відповідає визначеним Законом України пріоритетним напрямкам розвитку науки і техніки, зокрема, п. 7 «Нові технології і ресурсозберігаючі технології в енергетиці, промисловості й агропромисловому комплексі». Матеріали дисертації є узагальненням наукових результатів, отриманих автором за період з 2006 по 2009 рік при виконанні науково-дослідних робіт за планом НДР Дніпродзержинського державного технічного університету. В якості виконавця автор брала участь у виконанні науково-дослідних робіт: «Дослідження впливу фізичних методів обробки металу на якість бесперервнолитої заготовки, що формується» (031/06, 0106U000733), «Розробка теорії та дослідження механізмів утворення та руйнації структури металу під час м'якого обтиску бесперевнолитої заготовки з напіврідкою серцевиною» (131/08ДБ, 0108U001174). Тема дисертації відповідає науковим напрямам кафедри «Промислова теплоенергетика».

Мета і завдання дослідження полягає в розвитку теоретичних основ тепломасообміну стосовно кінетики процесів плавлення в електродугових печах на підставі комплексного урахування визначальних теплофізичних факторів, що забезпечує вдосконалення технологічного процесу і відповідну економію енергоресурсів. Завданням дослідження є розробка адекватної методики чисельних досліджень процесів тепломасообміну при розплавленні металошихти, отримання необхідної інформації про влив використовуваних додаткових джерел теплоти на скорочення енергетичних витрат, розробка рекомендацій щодо найбільш економічно доцільних мас і схем завантаження твердої шихти.

Об'єктом дослідження електродугова сталеплавильна піч.

Предметом дослідження є кінетика процесу розплавлення металошихти в робочому просторі дугових печей.

Методи дослідження. В роботі використані сучасні методи математичного моделювання: чисельний метод кінцевих різниць, метод інтегральних тотожностей (метод контрольного об'єму) при переході до кінцево-різницевих аналогів відповідних диференційних рівнянь. Проведення чисельних експериментів передбачало створення фізичної постановки задачі, що розглядається, математичної моделі процесу плавлення шихти на кожній стадії теплової роботи печі і розрахункового алгоритму. Чисельне моделювання процесу розплавлення шихти здійснювалося за допомогою створеної програми обчислення на ЕОМ.

Наукова новизна одержаних результатів. У роботі вперше отримані такі наукові результати:

1. Набула подальшого розвиту методика розрахунку процесу розплавлення металошихти на кожній стадії теплової роботи печі з урахуванням теплофізичних особливостей, що їм притаманні.

2. Вперше визначено функціональний зв'язок конвективного теплообміну між відхідними пічними газами, стікаючим на подину рідким металом і навколишнім середовищем в загальному тепловому балансі плавки, що забезпечує більш обґрунтоване розрахунку процесів тепломасообміну в робочому просторі дугових печей.

3. Одержано раніше не визначена ступінь впливу врахування радіаційного теплообміну в системі поверхонь електродів та бокової поверхні шихти на точність отриманих результатів щодо тривалості плавлення.

4. Вперше комплексно визначені закономірності впливу додаткових джерел теплоти, складу і способу подачі твердої шихти в піч на тривалість процесів розплавлення і витрати енергоносіїв.

5. Вперше встановлено вплив використання паливнокисневих пальників для плавлення в периферійних зонах печі.

Практичне значення одержаних результатів:

1. Встановлено технологічну можливість більш ефективного використання енергетичних ресурсів під час виплавки сталі в дугових печах.

2. Розроблені технологічні рекомендації підвищення ефективності використання енергетичних ресурсів при електроплавці і показано перспективність їх освоєння, що підтверджується актами їх впровадження на ДП „Дніпродзержинський cталеливарний завод” ВАТ „Дніпровагонмаш” м. Дніпродзержинськ, НВП „Дніпроенергосталь” м. Запоріжжя.

3. На базі отриманих теоретичних даних розвинуто технологічні основи розплавлення металошихти, що дають змогу отримати економічний ефект в промислових умовах.

Особистий внесок здобувача. В роботах [1-3] автором запропоновані математичні моделі процесу плавлення металошихти для кожної стадії теплової роботи дугових печей. В роботі [4] представлено математичні моделі теплової роботи дугових печей за умови використання паливнокисневих пальників; розглянуті варіанти роботи пальників в об'ємі шихтових матеріалів, в об'ємі розплаву та горіння у вільному робочому просторі печі. В роботах [5-8] наведено результати аналізу процесів теплообміну в дугових сталеплавильних печах, що мають місце на етапах проплавлення колодязів, закритого та відкритого горіння дуг. Виконано математичну постановку задачі плавлення шихти з урахуванням початкових і граничних умов теплообміну. Наведено результати чисельного моделювання процесу плавлення шихти для розглядуваних етапів. Проаналізовані отримані дані стосовно швидкості плавлення та розподілу температури в шихті в залежності від мас первинних завантажень. В роботі [9] подані результати чисельного експерименту, щодо ваги видів конвективного теплообміну в загальному тепловому балансі процесу плавлення в дугових печах.

Апробація результатів дисертації. Основні результати роботи доповідались на: IV міжнародній науково-практичній конференції „Печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии и машиностроении” (м. Москва, 2008 р.); ХІІІ позачерговій міжнародній науково-технічній конференції „Теорія і практика сталеплавильних процесів” (м. Дніпропетровськ, 2008 р.), міжнародній науковій конференції „Математичні проблеми технічної механіки” (м. Дніпродзержинськ, 2009 р.), міждержавній науково-методичній конференції „Проблеми математичного моделювання” (м. Дніпродзержинськ, 2009 р.).

Публікації. Основні результати роботи опубліковано у 9 статтях спеціалізованих наукових видань і 4 докладах і тезах конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків, списку джерел із 100 найменувань і 4 додатків. Загальний обсяг дисертації складає 192 сторінки, з яких 159 сторінок основного машинописного тексту, 66 рисунків і 4 таблиці.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано стан наукової проблеми, актуальність і доцільність дисертаційної роботи, наведено наукову новизну, практичне значення одержаних результатів дослідження, відомості про апробацію досліджень та публікації.

У першому розділі дисертаційної роботи відповідно до мети та завдання роботи формулюється уявлення про предмет дослідження - тепломасообмінні процеси, що мають місце під час теплової роботи дугових печей. Представлено загальні аспекти використання дугових печей у світі і в Україні. Наводиться аналіз розроблених математичних моделей, що використовуються при моделюванні процесів тепломасообміну при розплавленні металошихти в дугових печах. Визначені ті теплофізичні аспекти процесу плавлення, що не знайшли достатнього відображення в роботах інших авторів. Зауважено, що жодна з існуючих математичних моделей та фізичних описів теплової роботи печей не враховує всі існуючі механізми і способи передачі теплоти під час теплової роботи дугових печей. Зокрема, не знайшли відображення такі теплофізичні особливості, як: конвективний теплообмін між технологічними газами та поверхнею кускового матеріалу шихти; конвективний теплообмін між розплавленим металом, що стікає через шихту та обмін теплотою при цьому; недостатньо врахований той факт, що плавлення металевого брухту відбувається в інтервалі ліквідус-солідус; не береться до уваги ситуація, яка має місце в системі теплообміну „шихта - вогнетривка футеровка - навколишня атмосфера”; не завжди враховується залежність теплофізичних властивостей матеріалів шихти та вогнетривкої футеровки від температури; не встановлено вплив використання додаткових джерел теплоти, зокрема, паливнокисневих пальників для плавлення в периферійних зонах печі.

Описано загальний підхід до розв'язання задач тепломасообміну в процесі плавлення в дугових сталеплавильних печах. Розглянуто існуючі методи розв'язання задач теплопровідності, розрахунку радіаційного та конвективного теплообміну.

Наведено результати аналізу теплотехнічних особливостей роботи дугових печей. Встановлено спільність і особливості теплообмінних процесів для кожної стадії теплової роботи печі: стадії запалення дуг, проплавлення колодязів, закритого горіння дуг і доплавлення відкритими дугами. Зауважена існуюча залежність тривалості плавки і витрат енергоносіїв від теплового режиму роботи печі. Встановлено необхідність створення комплексної математичної моделі процесу плавлення металошихти, як інструментарію для аналізу процесів тепломасообміну та визначення теплофізичних залежностей і закономірностей під час теплової роботи печі.

У другому розділі представлені результати аналізу теплофізичних особливостей теплової роботи дугових печей. Зважаючи на складність відображення реальної картини розташування кусків лому та прошарків газу у робочому просторі дугової печі, встановлено необхідність уведення ідеалізованої схеми пористої структури шихти.

Наведено результати аналізу складових частин конвективного та радіаційного теплообміну (рис.1): конвективний теплообмін між технологічними газами (qг) та стікаючим рідким розплавом (qр), конвективно-радіаційний теплообмін з навколишнім середовищем (qф) та радіаційний теплообмін з поверхнею електродів (qел). Визначено вплив вказаних видів теплообміну на динаміку протікання теплофізичних процесів. Виявлено, що нехтування конвективним теплообміном між пічними газами та поверхнею шихтових матеріалів призводить до збільшення розрахункової тривалості плавки майже на 10%. Аналогічна ситуація має місце при теплообміну між рідким металом, що стікає, та поверхнею шихти; при не врахуванні цієї статті балансу розрахункове скорочення тривалості плавлення досягає 15%. Отримано значення похибки, що вноситься до результатів обчислення при нехтуванні теплообміном між зовнішньою поверхнею печі та навколишнім середовищем. Обґрунтовано висновок, що ігнорування радіаційного теплообміну між поверхнею електродів і шихтою призводить до збільшення розрахункової тривалості етапу проплавлення колодязів до 15 %. Доведено, що врахування всіх зазначених особливостей теплообміну дає змогу отримувати дані, більш наближені до існуючих в порівнянні з даними інших авторів.

Розроблено математичну модель процесу плавлення металошихти у робочому просторі дугових печей для кожного етапу теплової роботи. Використання математичної моделі дозволило проводити чисельний аналіз процесів без промислових витрат та капіталовкладень на фізичні експерименти.

Основне тепловиділення формується за рахунок дуг електродів у шихті. Розподілення температури в об'ємі шихти, розплаву та футеровки поду та стін на всіх стадіях теплової роботи печі описується відповідно рівняннями теплопровідності (1)-(4)

;

; ; (1)

;

; ; (2)

;

; ; (3)

;

; .

Рівняння (1)-(4) доповнюються відповідними для кожного етапу роботи печі крайовими умовами.

На етапі запалення дуг вогнетривка кладка футеровки печі має деяку кількість теплоти, акумульованої від попередньої плавки (рис.2). Внаслідок чого мається певний розподіл температури по її перерізу у початковий момент часу . Верхня поверхня шихти, склепіння печі, незакрита шихтою поверхня футеровки стін отримують енергію в результаті променевого теплообміну з дугою (q1). Футеровка, не екранована шихтою, віддає акумульовану теплоту попередньої плавки (q2). Теплота в об'ємі шихти і розплаву розповсюджується в результаті теплопровідності. Між футеровкою бокових стін та шихтою діє контактний теплообмін, що позначений на рис. 2 відповідними тепловими потоками (q3). При веденні плавки з використанням початкового розплаву, на границі розплав - тверда шихта (q9), розплав - футеровка поду і стін печі (q7), (q8) реалізується умова контактного теплообміну. Початковими умовами для етапу розпалення дуг є:

; ; ; ; ;

, .

Джерелом теплоти в об'ємі шихти на етапі проплавлення колодязів (рис. 3) є енергія електричних дуг (q1), енергія згоряння палива в пальниках (при їхньому використанні), теплота розплаву (q9), теплота футеровки печі (q3), акумульованої від попереднього етапу. Колодязі, що утворюються на протязі цього періоду, екранують електричні дуги, завдяки чому променисту енергію дуги (q1) отримує тільки поверхня шихти безпосередньо під електродами. Також береться до уваги теплообмін випромінюванням в системі поверхонь електродів та бокової поверхні шихти у колодязях (q11). На боковій поверхні шихти, в областях її зіткнення з футеровкою стін (q3) та на границі зіткнення розплаву і футеровки поду (q7) та стін печі (q8) реалізуються умови контактного теплообміну. Верхня поверхня шихти, поверхня склепіння та відкрита поверхня футеровки стін складають на даному етапі замкнену систему сірих тіл, між якими відбувається теплообмін випромінюванням (q2). В результаті проплавлення колодязів розплавлений метал стікає вниз під дією сили тяжіння, передаючи при цьому свою ентальпію розташованим нижче шарам шихти (q12). При цьому відбувається конвективний теплообмін між шихтою та стікаючим металом. На границі розплаву і шихти (q9) реалізується умова безпосереднього теплового контакту з рухливою границею розділу фаз. Рухливими границями в період проплавлення колодязів є верхня границя розплаву , що переміщується із-за стікання в нього рідкого металу, границі областей колодязів , а також границя бокової поверхні шихти в зоні дії газокисневих пальників (за умови роботи вказаних пальників). Теплота внутрішньої поверхні футеровки стін передається теплопровідністю до зовнішньої поверхні, яка в свою чергу вступає в конвективно-радіаційний теплообмін з навколишнім середовищем (q5). Для етапу проплавлення колодязів початковими умовами є :

; ; ; ;

.

Джерелом теплоти в період закритого плавлення (рис. 4) є електричні дуги (q1), теплота пальників (при їх наявності), теплота розплаву (q9), теплота екзотермічних реакцій (Qекз), теплота відхідних пічних газів (q13). На боковій поверхні шихти в областях її зіткнення з футеровкою стін (q3) та в області зіткнення розплаву з подом (q7), і боковою стіною печі (q8) реалізується умова контактного теплообміну. Об'єми шихти, що розташовані в зоні безпосередньої дії газокисневих пальників, отримують енергію згоряння палива. Верхня поверхня шихти отримує енергію в результаті поглинання променевої енергії, що випромінюється футеровкою склепіння та відкритою поверхнею стін печі (q2). Рухливими границями на цьому етапі є границя розплаву, границя колодязів, верхня границя шихти. До рівнянь теплопровідності (1)-(4) для етапу закритого горіння дуг додається рівняння теплопровідності для шлакового прошарку і наступні початкові умови:

;

; ; ;

;

Джерелом теплоти в період доплавлення шихти відкритими дугами є енергія електричних дуг (q1), теплота розплаву (q9), теплота футеровки склепіння печі і відкритої поверхні її стін (q2). На боковій поверхні шихти в областях її зіткнення з футеровкою стін (q3) та в області зіткнення розплаву з подом і стінами печі (q7), (q8) реалізується умова контактного теплообміну. Верхня поверхня шихти і внутрішня поверхня утвореного загального колодязя отримує енергію за рахунок поглинання променевої енергії, яка випромінюється та відбивається футеровкою склепіння печі і відкритою поверхнею стін. Період відкритого горіння дуг завершується тоді, коли розплавляється вся маса твердої шихти. Початковими умовами для рівнянь (1) - (4), (6) для періоду доплавлення відкритими дугами є поле температур для шихти , розплаву , футеровки стін , футеровки подини та шлакового прошарку за умови .

До початкових умов для кожного розглядуваного етапу роботи печі додаються граничні умови. За умови завантаження шихти на суху подину (рис. 5) на етапі запалення дуг використовуються наступні граничні умови:

; ;



; ;

.

У випадку, коли злив металу відбувається за рахунок використання механізму нахилу печі (рис.5) для границі між нижньою поверхнею футеровки подини і навколишнім середовищем задається гранична умова для радіаційно-конвективного теплообміну (q6)

.

За умови стаціонарного розташування печі (рис. 2) нижня поверхня футеровки вступає в контактний теплообмін з фундаментом печі (q10), при цьому задається гранична умова ІV роду

.

При завантаженні шихти на залишок рідкого металу від попередньої плавки (рис. 2), враховуються відповідні теплові потоки (q7), (q8), (q9) та використовуються граничні умови, а саме:

; ;

; .

Для етапу проплавлення колодязів (рис. 3) математична модель доповнюється наступними умовами, що дають змогу врахувати радіаційний теплообмін між дугою (q1), боковою поверхнею електродів та шихтою (q11) і конвективний теплообмін з рідким стікаючим металом (q12) в зоні роботи дуг

;

,

.

Для етапу закритого горіння дуг (рис. 4) додаються умови, що дають змогу врахувати теплообмін між шлаковим прошарком та шихтою і конвективний теплообмін з відхідними пічними газами та металошихтою (q13)

;;

.

Для врахування фазового переходу від твердого до рідкого стану завалочних матеріалів, зміни їх властивостей і виділення теплоти фазового переходу в інтервалі температур солідус () - ліквідус (), використовуються наступні припущення:

.

Рівняння (1) - (4), (6) доповнюються рівняннями залежностей теплофізичних параметрів від температури.

У третьому розділі розроблено розрахунковий алгоритм і схему розбивки робочого простору розрахунковою сіткою на основі методу кінцевих різниць. Доведено можливість розв'язання задачі плавлення металошихти для умовно симетричних печей у двовимірній постановці.

Запропоновано схему переходу до двовимірного простору розрахункової області та виділення контрольних об'ємів - об'єднання чарунок, де протікають ідентичні процеси теплообміну при розв'язанні задачі плавлення в двовимірній постановці. Для побудови різницевих аналогів диференційних рівнянь застосовується метод інтегральних тотожностей. В залежності від обраного контрольного об'єму записано баланси теплоти, що дають змогу здійснити розрахунки процесу плавлення металошихти. Здійснена параметрична ідентифікація розробленої математичної моделі. У нашому випадку параметрична ідентифікація математичної моделі виконувалась на основі даних, отриманих при проведенні плавок на печах ДСП4М та ДСП3 ДП „Дніпродзержинський cталеливарний завод” ВАТ „Дніпровагонмаш” м. Дніпродзержинськ та ДСП4 ДНВП „Циркон” м. Дніпродзержинськ. розплавлення металошихта конвективний теплообмін

Для оцінювання відповідності розрахункових даних промисловим їх порівняння проводилось для окремих стадій плавлення і для плавки в цілому. Доведено, що розрахункові дані мають відхилення від даних промислових плавок не більше 4 %. Це значення практично не змінюється для різних схем и мас завантаження і може вважатися статичною похибкою розрахунків.

Представлено результат порівняння розрахункових даних з експериментальними і розрахунковими даними інших авторів. Виявлено і доведено, що використання власної розробленої математичної моделі і розрахункового алгоритму дозволяє отримати більш точні і наближені до реально існуючих дані. В результаті чисельного моделювання теплової роботи печі отримано наступні параметри: час плавлення на кожній стадії плавлення шихти, загальна тривалість розплавлення, температури, величини мас, об'ємів, границь шихти і розплаву на кожному часовому і розрахунковому шарі.

Наведено результати чисельних експериментів, що були проведені з метою визначення можливості економії енерговитрат і скорочення тривалості процесу плавлення за рахунок використання найбільш доцільної маси завалки. Виходячи з формули , питомі витрати електроенергії пропорційно залежать від тривалості процесу плавлення. Оскільки тривалість плавлення тим менше, чим менша маса завалки, а кількість отриманого рідкого металу і величина тривалості плавки є змінними величина для завалок різної маси, то критерієм вибору раціональної завалки буде наступне співвідношення

.

Визначено, що збільшення тривалості плавки відбувається не пропорційно до збільшення маси завантаження, тобто має нелінійний характер, а співвідношення маси отриманого розплаву до витраченого часу зростає з ростом маси завантаження.

У четвертому розділі дисертаційної роботи доведено необхідність розв'язання задачі плавлення металошихти у тривимірній постановці при моделюванні процесу плавлення для несиметричних печей. При виконанні чисельного експерименту з використанням тривимірної математичної моделі в розрахунках використовувались дані електродугових сталеплавильних печей № 3 Білоруського металургійного заводу м. Мінськ загальною ємністю 100 т та ДСП50 ТОВ „Електросталь” м. Курахово. При проведенні розрахунків прийняті наступні технологічні умови: завантаження шихтових матеріалів у піч виконується в дві завалки, при цьому здійснюється технологія плавлення шихти з використанням розплаву. Розплавлений метал зливається крізь випускний жолоб. Для інтенсифікації процесу розплавлення металошихти в периферійних областях печі використовуються стінові та еркерний пальники.

На рис. 6 наведено схему робочого простору несиметричних дугових печей. При виконані розрахунків прийнято, що температура розрахункових чарунок визначається в її центрі. Вибір розрахункової чарунки зумовлено особливостями геометрії печі, що дає змогу більш точно виконувати розрахунки. В залежності від особливостей теплообміну і механізмів передачі теплоти

розрахункові чарунки в розрахунковій області печі об'єднуються в контрольні об'єми, для кожного з яких записується баланс теплоти.

З даних, отриманих при проведені чисельного експерименту, зроблено висновок, що моделювання процесу плавлення шихти в розглядуваних дугових печах з використанням припущення про їх симетричність (при використанні двовимірної моделі) призводить до похибки в значенні тривалості плавки до 15%. Це значення є змінним і залежить від поверхні несиметричності печі.

Наведено результати чисельного експерименту, який проводився з метою визначення найбільш економічно обґрунтованих схем і співвідношення мас завалок за умови отримання заданої маси рідкого розплаву. Виходячи з умови, що на кінець процесу розплавлення маса отриманого рідкого металу є однаковою для всіх схем завалок, а витрати електроенергії при однаковій потужності пічного трансформатора пропорційно залежать від тривалості процесу плавлення, то в якості критерію вибору раціональної схеми завалки обрана наступна умова.

.

Наведено результати чисельного моделювання процесу плавлення металошихти для кожного окремого етапу плавлення. Представлено залежності маси і температури розплаву від часу для кожної розглядуваної схеми завантаження і для процесу плавлення в цілому. Отримавши дані, щодо залежності маси розплаву від часу (рис. 8) було визначено схему завантаження, що відповідає умові (16). На рис. 7 цифрами 1 - 4 відповідно позначено момент завершення етапу проплавлення колодязів першої завалки, момент завершення етапів закритого і відкритого горіння дуг при розплавленні першої завалки, загальна тривалість процесу проплавлення шихти, технологічний час завантаження другої завалки. Цифрами І-V відповідно позначено розглядувані схеми завантаження твердої шихти в піч. Використовуючи дані щодо загальної тривалості процесу розплавлення шихти, було встановлено найбільш доцільну схему завантаження. Обґрунтовано той факт, що при завантаженні в піч шихти маси завалок повинні бути приблизно однакові, що дасть змогу обом завалкам прогріватися рівномірно і потребувати менше часу для розплавлення.

Наведено результати аналізу особливостей плавлення металошихти з використанням додаткових джерел теплоти. Теоретично обґрунтовано можливість використання теплоти залишку розплаву в якості об'ємного додаткового джерела прогріву твердої шихти. Також було визначено, що схема завантаження, де плавлення відбувається без використання залишкового розплаву, є самою невигідною з точки зору співвідношення отриманого розплаву до витраченого часу. При завантажені шихти на „суху” подину електроенергії витрачується майже на 10 % більше ніж при плавленні з залишковим розплавом масою 5 т. При подальшому збільшенні маси розплаву значення економії електроенергії зменшується і стає практично не суттєвою.

Розроблено математичні моделі теплової роботи паливнокисневих пальників, що використовуються в якості додаткових осередків прогріву і проплавлення металу в периферійних областях печі. В процесі роботи пальників відбувається конвективно-радіаційний теплообмін між факелом, утворюваним газом спалювання та металошихтою. Із-за неможливості врахування реально існуючої границі гарячої плями в зоні дії пальника вводиться умовна прямокутна границя, зображена на рис. 8. При цьому береться до уваги, що розплавлена шихта видаляється з зони роботи ПКП, стікаючи до розплаву, границі опромінення шихти є рухливими.

Границя шихти, що потрапляє під дію факелу пальника отримує теплоту від безпосереднього спалення газу у пальниках, подальший розподіл теплоти в об'ємі шихтових матеріалів відбувається за рахунок теплопровідності. На наш погляд, у цьому випадку при фізичній постановці задачі доцільно радіаційно-конвективний теплообмін між продуктами згоряння та поверхнею шихти розглядати як дію теплового потоку на цю поверхню з боку джерела теплопостачання. Питомий потік від факелу до верхні шихти становить . Тоді граничні умови, що враховують теплоту згоряння газу в пальниках і теплоту прогріву шихти за рахунок стікаючого металу в зоні дії пальника будуть наступними:

; ;

; .

У випадку вільного горіння пальника у робочому просторі печі більш значущим є теплообмін випромінюванням. В зоні плями роботи пальника (на рухливій границі зони опромінення) на поверхні шихти задана гранична умова радіаційного теплообміну

.

Використання теплоти спалюваного газу, дає змогу інтенсифікувати процес розплавлення металошихти, в той же час зростає коефіцієнт використання палива і з'являються витрати на природний газ та кисень. З метою визначення доцільності використання паливно-кисневих пальників в сучасних економічних умовах і можливості економії електроенергії було проведено чисельне моделювання процесу плавлення шихти з використанням пальників і без них. Обґрунтовано, що використання теплоти спалюваного в пальниках газу в якості додаткового джерела теплоти призводить до скорочення часу плавлення для всіх розглядуваних етапів плавлення шихти, а загальне скорочення тривалості досягає 10-13%. Використання теплоти працюючих пальників призводить до скорочення витрат електроенергії приблизно на 15 %. Висновок про доцільність використання пальників, як додаткових джерел прогріву металошихти, було зроблено, базуючись на розрахунки загальних витрат на електроенергію без використання пальників і електроенергію, природній газ та кисень.

ВИСНОВКИ

1. Розроблено математичну модель процесу плавлення шихти у робочому просторі ДСП, яка враховує особливості теплообміну і механізми передачі теплоти на кожному етапі теплової роботи печі.

2. На базі чисельних досліджень одержано важливу інформацію щодо значення різних видів теплообміну, необхідність врахування яких, при математичному моделюванні теплової роботи ДСП викликала суперечливі точки зору у різних авторів.

3. Чисельно обґрунтовано, що значення похибки при нехтуванні деяких видів теплообміну для завалок різної маси є змінною величиною, а введення до математичної моделі конвективного теплообміну між пічними газами, стікаючим на подину розплавом і шихтою, радіаційного теплообміну з поверхнею електродів та конвективно-радіаційного теплообміну з навколишнім середовищем дає змогу отримати більш точні розрахункові дані і вважати, що розроблена модель достовірно описує фізичні процеси, що мають місце при плавленні пористого тіла.

4. Порівняння даних, отриманих при використанні розробленої моделі з експериментальними, розрахунковими даними інших авторів і даними промислових плавок підтверджує адекватність математичної моделі і її здатність описувати тепломасообмінні процеси, що протікають в робочому просторі ДСП.

5. Розроблено чисельний алгоритм розрахунку процесу плавлення металошихти в ДСП для дво- і тривимірних математичних моделей, обґрунтовано використання розрахункової сітки, яка враховує нерівномірність верхнього розрахункового шару.

6. Шляхом проведення чисельного експерименту визначено раціональні схеми, співвідношення мас завалочних матеріалів для умовно симетричних і несиметричних ДСП. Доведено можливість економії енергоресурсів за рахунок зменшення загальної тривалості плавлення при плавленні раціональних мас завалок. Використання розрахункових даних дозволить отримати економічний ефект у розмірі 72000 грн на рік в рамках ДСП № 3 ДП „Дніпродзержинський сталеливарний завод” ВАТ „Дніпровагонмаш” м. Дніпродзержинськ.

7. Теоретично обґрунтовано та підтверджено чисельними розрахунками можливість інтенсифікації процесу плавлення металошихти при використанні залишку рідкого металу від попередньої плавки. Визначено оптимальні співвідношення твердої шихти і залишкового розплаву, плавлення яких дозволяє отримати найбільший економічний ефект.

8. Розроблено математичні моделі теплової роботи ПКП. Розглянуто режими роботи використовуваних пальників, визначено вплив технологічного режиму теплової роботи пальників на тривалість процесу плавлення в цілому. На основі проведеного чисельного моделювання доведено, що, не зважаючи на ріст показника витрат використовуваного палива на тону готового розплаву, використання ПКП є доцільним в існуючих економічних умовах.

Позначення: с - масова теплоємкість; с - щільність; Т - температура; л - коефіцієнт теплопровідності; ф - розрахунковий час періодів плавлення; r, ц, z - координати в циліндричній системі координат; Z - висота в осьовому напрямку; R - величина радіусу печі; епр - приведена ступінь чорноти в системі „футеровка склепіння - шихта”; е1 - приведена ступінь чорноти в системі „дуга-шихта”; е2 приведена ступінь чорноти в системі „електрод-шихта”; у0 - коефіцієнт випромінювання абсолютно чорного тіла; Т1 - початкова температура внутрішньої поверхні бокової стінки; Т1 - початкова температура зовнішньої поверхні бокової стінки; ?Т1 - різниця температури між внутрішньою і зовнішньою поверхнею бокової стінки печі; Т3, Т4 - відповідно початкова температура внутрішньої та зовнішньої поверхні футеровки подини; ?Т2 - різниця температури між цими поверхнями; бУ - сумарний коефіцієнт тепловіддачі від поверхні подини до навколишнього середовища; бVpp - коефіцієнт тепловіддачі рідкого металу; бV - об'ємний коефіцієнт тепловіддачі пічного газу; Q - тепловий потік; W - питомі витрати електроенергії; Pтр.пл- потужність пічного трансформатора на етапі плавлення шихти; q - питомий тепловий потік.

Індекси: ш - шихта; б - розплав („болото”); ф - футеровка печі; п - піч; 0 - початкове значення; 1 - етап запалення дуг; фун - фундамент печі; фб - футеровка бокової поверхні печі; фд - футеровка днища печі; 2 - етап проплавлення колодязів; шл - шлак; 3 - етап закритого горіння дуг; с - навколишнє середовище; ki - номер колодязя; г - пічний газ; екз - екзотермічні реакції; пал - паливнокисневий пальник

Умовні скорочення: ДСП - дугова сталеплавильна піч, ПКП - паливнокисневий пальник.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Яловая Е.Н. Разработка математической модели плавления металошихти в дуговой сталеплавильной печи при исследовании влияния режимов работы энерготехнологического оборудования на продолжительность плавки / Е.Н. Яловая, В.Ю. Болотов // Сборник научных трудов Днепродзержинского государственного технического университета. - Днепродзержинск: ДГТУ. - 2007. - Вып. 8. - С. 211-216.

2. Яловая Е.Н. Разработка математической модели и метода для расчета кинетики плавления металлошихты в рабочем пространстве дуговой сталеплавильной печи / Е.Н. Яловая, В.Ю. Болотов // Математичне моделювання. - Дніпродзержинськ: ДДТУ. - 2008. - №1(18). - С. 25-28.

3. Яловая Е.Н. Математическое моделирование тепловой работы дуговой сталеплавильной печи с целью разработки оптимальных режимов плавления металлошихты / Е.Н. Яловая, И.А. Павлюченков, В.Ю. Болотов // Системные технологии. - Днепропетровск: НМетАУ. - 2008. - Вып. 3(56). - Т. 2. - С. 54-58.

4. Ялова К.М. Математичне моделювання теплової роботи паливнокисневих пальників в робочому просторі дугової сталеплавильної печі / К.М. Ялова, А.М. Павленко // Збірник наукових праць Дніпродзержинського державного технічного університету. - Дніпродзержинськ: ДДТУ. - 2009. - Вип. 1(11). - С. 9-12.

5. Ялова К.М. Дослідження процесів тепломасообміну, що протікають у дугових печах на етапі проплавлення колодязів / К.М. Ялова, А.М. Павленко // Математичне моделювання. - Дніпродзержинськ: ДДТУ. - 2009. - № 1(20). - С. 65-67.

6. Яловая Е.Н. Разработка математической модели процесса расплавления шихты в современной дуговой печи / Е.Н. Яловая, И.А. Павлюченков // Черная металлургия: бюллетень научно-технической и экономической информации. - М.: НИИТЭИЧМ. - 2009. - №3(1311). - С. 50-53.

7. Ялова К.М. Комплексна математична модель процесу плавлення шихти у дугових сталеплавильних печах // Математичне моделювання. - Дніпродзержинськ: ДДТУ. - 2009. - №2(21). - С. 75-79.

8. Ялова К.М. Математичне моделювання теплової роботи дугових печей на етапі проплавлення колодязів / К.М. Ялова, А.М. Павленко // Системні технології. - Дніпропетровськ: НМетАУ. - 2009. - № 4(63). - С. 32-39.

9. Ялова К.М. Дослідження конвективного теплообміну, що має місце під час плавлення металошихти в електродугових печах // Технічна теплофізика і промислова теплоенергетика. - Дніпропетровськ: НМетАУ. - 2009. - №1. - С. 207-214.

АНОТАЦІЯ

Ялова К.М. Підвищення енергоефективності електродугових печей. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.14.06 - технічна теплофізика та промислова теплоенергетика, Інститут проблем машинобудування ім. А.М. Підгорного Національної академії наук України, м Харків, 2010 р.

В роботі обґрунтовано новий підхід до вивчення закономірностей динаміки плавлення шихти в робочому просторі дугових сталеплавильних печах і тепломасообмінних процесів, що мають місце під час плавлення. Розроблені математичні моделі процесу плавлення металошихти в дугових печах, які враховують теплофізичні особливості та механізми передачі теплоти на кожному етапі теплової роботи печі. Обґрунтовано можливість застосовуватися створених математичних моделей для несиметричних багатовантажних печей за наявністю об'ємних додаткових джерел теплоти. Шляхом чисельних експериментів одержано раціональні маси і схеми завантаження, а також співвідношення шихтових матеріалів, плавлення яких дозволяє скоротити тривалість плавки і економити енергоносії. Обґрунтовано можливість економії електроенергії за рахунок використання додаткових джерел теплоти. Розроблено математичні моделі теплової роботи паливнокисневих пальників. Теоретично доведена доцільність часткової заміни теплоти електричних дуг теплотою спалюваного газу з метою зменшення промислових витрат.

Ключові слова: тепломасообмін, плавлення, дугова електросталеплавильна піч.

Яловая Е.Н. Повышение энергоэффективности электродугових печей. - Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 - техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика, Институт проблем машиностроения им. А.М. Подгорного Национальной академии наук Украины, г. Харьков, 2010.

В работе обоснован новый подход к изучению закономерностей динамики плавления шихты в рабочем пространстве дуговых сталеплавильных печах и тепломассообменных процессов, которые имеют место во время плавления. Исследованы виды и механизмы теплообмена для каждого этапа тепловой работы дуговых печей. Получены числовые сведения о влиянии на общий тепловой баланс плавки тех видов теплообмена, необходимость учета которых вызывала противоречивые точки зрения, а именно: конвективный теплообмен между отходящими печными газами и твердой шихтой, конвективный теплообмен со стекающим на подину расплавом, радиационный теплообмен с боковой поверхностью электродов, конвективно-радиационный теплообмен с окружающей средой. Теоретически и путем численного эксперимента доказано, что учет указанных видов теплообмена дает возможность получать более точные результаты моделирования процесса плавления как для каждого отдельного этапа тепловой работы печи, так и для процесса плавки в целом. Созданы математические модели процесса плавления металлошихты, которые учитывают теплофизические особенности и механизмы передачи теплоты современной технологии выплавки стали в дуговых печах. Обоснована возможность применения созданных математических моделей для несимметричных большегрузных печей при наличии объемных дополнительных источников теплоты. Разработан алгоритм расчета процесса плавления металлошихты и способ разбивки рабочего пространства печи расчетной сеткой с учетом фактической высоты завалки. Представлены результаты сравнения полученных расчетных данных с экспериментальными и расчетными данными других авторов. Доказано, что использование разработанных математических моделей и созданного расчетного алгоритма позволяет получить более точные и приближенные к промышленным результаты. Путем численных экспериментов получены рациональные массы и схемы загрузки, а так же соотношения шихтовых материалов, плавления которых позволяет сократить длительность плавки и экономить энергоресурсы. Представлены результаты численного моделирования относительно определения влияния порозности шихтовых материалов на длительность процесса плавки и расход электроэнергии. Доказана возможность экономии электроэнергии за счет использования дополнительных источников теплоты. Теоретически обосновано и подтверждено числовыми расчетами возможность интенсификации процесса плавления металлошихты при использовании остатка от предыдущей плавки. Определены оптимальные соотношения твердой шихты и остаточного расплава, плавление которых позволяет получить наибольший экономический эффект. Созданы математические модели тепловой работы газокислородных горелок, которые описывают процесс сжигания газа в объеме шихты, расплава и в рабочем пространстве печи. Теоретически доказана целесообразность частичной замены теплоты электрических дуг теплотой сжигаемого газа с целью экономии промышленных затрат.

Ключевые слова: тепломассообмен, плавление, дуговая электросталеплавильная печь.

Yalovaya E.N. Increasing of the energy efficiency of electric arc furnaces. - Manuscript.

The dissertation on competition of scientific degree of candidate of technical sciences in specialty 05.14.06 - Technical thermal physics and industrial heat power engineering, A.M. Podgorny Institute for Mechanical Engineering Problems of the National Academy of Sciences of Ukraine, Kharkov, 2010.

The new approach to studying of the conformities to natural laws of dynamic the charge's fusion in the working space of the arc steelmaking furnaces and processes of heat and mass exchange taking place during the fusion is proved in the work. Mathematical models of the process of charge's melting taking into account thermophysical features and mechanisms of heat transfer are created. Possibility of application of the founded mathematical models for asymmetrical supersize furnaces in the presence of volumetric additional sources of heat is proved. By the means of numerical experiments rational weights, loading schemes and the ratio of the charge's materials, which fusion allows to reduce duration of melting and to save energy resources are received. Possibility of economy of the electric power by using of additional sources of heat is proved. Mathematical models of gas-and-oxygen burner's thermal work are founded. The expediency of partial substitution of heat of electric arcs by heat of burnt gas for the purpose of economy of industrial expenses is theoretically proved.

Keywords: heat-and mass exchange, melting, electric arc steelmaking furnace.

Размещено на Allbest.ru

...