Підвищення енергоефективності електродугових печей - Автореферат

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. 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. 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. 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. 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.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. Встановлено спільність і особливості теплообмінних процесів для кожної стадії теплової роботи печі: стадії запалення дуг, проплавлення колодязів, закритого горіння дуг і доплавлення відкритими дугами. Розподілення температури в обємі шихти, розплаву та футеровки поду та стін на всіх стадіях теплової роботи печі описується відповідно рівняннями теплопровідності (1)-(4) Верхня поверхня шихти, склепіння печі, незакрита шихтою поверхня футеровки стін отримують енергію в результаті променевого теплообміну з дугою (q1). 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.Розроблено математичну модель процесу плавлення шихти у робочому просторі ДСП, яка враховує особливості теплообміну і механізми передачі теплоти на кожному етапі теплової роботи печі. 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. 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. 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. 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.

2. ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

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; ? - щільність; Т - температура; ? - коефіцієнт теплопровідності; ? - розрахунковий час періодів плавлення; r, ?, z - координати в циліндричній системі координат; Z - висота в осьовому напрямку; R - величина радіусу печі; ?пр - приведена ступінь чорноти в системі „футеровка склепіння - шихта”; ?1 - приведена ступінь чорноти в системі „дуга-шихта”; ?2 приведена ступінь чорноти в системі „електрод-шихта”; ?0 - 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; ?? - сумарний коефіцієнт тепловіддачі від поверхні подини до навколишнього середовища; ?VPP - коефіцієнт тепловіддачі рідкого металу; ?V - обємний коефіцієнт тепловіддачі пічного газу; Q - тепловий потік; W - питомі витрати електроенергії; Ртр.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

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.