CC BY
1УДК 669.18.04:669.89
к.т.н. Куберский С. В., к.т.н. Проценко М. Ю., Воронько М. И., Проценко В. И.
(ДонГТУ, г. Алчевск, ЛНР)
АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ СОСТАВА ЭЛЕКТРОДНОЙ СМЕСИ НА ТЕМПЕРАТУРУ
СТОЛБА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ДУГИ
Исследовано влияние химического и фракционного состава электродной смеси комбинированного электрода, используемого в рудно-восстановительных блоках процесса дугового глубинного восстановления, на температуру столба электрической дуги. С использованием метода термометрирования выполнен анализ влияния содержания отвального шлака от производства силикомарганца и доломитизированного известняка, а также их крупности на температурный режим горения электрической дуги. Показано, что ввод добавок вызывает снижение температуры столба дуги, а большие её значения достигаются при уменьшении крупности частичек шлака от производства силикомарганца и увеличении фракции использованного доломитизиро-ванного известняка.
Ключевые слова: внепечная обработка, дуговое глубинное восстановление, комбинированный электрод, электродная смесь, состав, крупность, шлак силикомарганца, доломитизированный известняк, электрическая дуга, температура столба дуги.
Металлургия и материаловедение
Снижение себестоимости товарной металлопродукции и повышение её качества являются основным направлением деятельности металлургических предприятий для обеспечения высокого уровня конкурентоспособности на внутреннем и мировом рынках.
Одним из основных звеньев технологической схемы производства стали является внепечная обработка, обеспечивающая высокий уровень её эксплуатационных свойств и качества. Поэтому вопросы усовершенствования технологий ковшевой металлургии с целью повышения её эффективности являются актуальными в современных условиях функционирования сталеплавильного производства.
Эффективность внепечной обработки в значительной степени зависит от расхода дорогостоящего сырья, материалов и энергоносителей, что заставляет вести поиск альтернативных их заменителей с целью снижения себестоимости металлопродукции.
Анализ технологий внепечной обработки показывает, что повышение её технико-
экономических показателей может быть достигнуто при использовании для рафинирования и раскисления-легирования различных промышленных отходов и вторичных сырьевых материалов взамен традиционных компонентов шихты. Такой подход положительно скажется не только на себестоимости передела, но и позволит снизить негативную нагрузку на окружающую среду.
Одним из путей решения отмеченной проблемы является использование метода дугового глубинного восстановления (Д1 В) элементов в железоуглеродистые расплавы [1]. Метод Д1В позволяет одновременно решать основные задачи внепечной обработки, связанные с рафинированием, раскислением-легированием, гомогенизацией и нагревом расплава. Кроме того, данная технология предполагает использование в качестве рудного сырья различных промышленных отходов и вторичных материалов (шлак, шлам, бедные руды, бой огнеупоров и т. д.), которые содержат в своём составе полезные для металлургии элементы. Предложенный способ переработки отходов и
Металлургия и материаловедение
вторичных материалов позволяет снизить расход дорогостоящих ферросплавов и лигатур, сократить занимаемые отвалами площади, а также улучшить экологическую обстановку в промышленно развитых регионах. При этом технология обеспечивает снижение расхода энергоносителей при обеспечении высокого качества металла.
Одним из актуальных вопросов метода ДГВ, который не был изучен в ходе предыдущих исследований, является анализ температурных параметров горения комбинированных электродов (КЭ), набиваемых электродной смесью (ЭС) различного химического и фракционного состава.
Поэтому основная цель работы заключалась в определении влияния добавок шлака силикомарганца (ШМнС) и доломитизиро-ванного известняка (ДИ) в составе ЭС и их крупности на температуру столба электрической дуги. Выбор данных добавок обусловлен их относительной дешевизной и доступностью, а также наличием компонентов, восстановление которых может обеспечивать дополнительное раскисление-легирование железоуглеродистого расплава.
В процессе внепечной обработки металлического расплава методом ДГВ основным источником тепла является дуговой разряд. Тепловая энергия, выделяемая в дуговом узле, расходуется на нагрев и расплавление материалов рудно-восстановительного блока (РВБ), химические реакции, нагрев обрабатываемого расплава и потери в окружающую среду через рудно-восстановительную смесь (РВС) и с отходящими газами.
Поток тепла, образующийся в зоне горения электрической дуги, напрямую зависит от её температуры, которая определяется мощностью, подводимой в зону дугового разряда, и оказывает основное влияние на скорость расходования КЭ и РВС. Зная количество тепла, выделяющегося при горении электрической дуги, можно определить энергетические параметры дугового узла.
Для определения потока тепла, распространяющегося по КЭ в процессе сжига-
ния, было выполнено его термометрирова-ние. КЭ (рис. 1) изготавливали из стальной трубки длиной 230 мм и диаметром 18 мм, в которой насверливали отверстия диаметром 1,0—1,5 мм с шагом 15 мм. Затем подготавливали усреднённую ЭС из заранее просеянных материалов определённой фракции. Для графита и каменноугольного пека крупность частиц составляла менее 0,63 мм, а для ШМнС и ДИ изменялась в пределах 0,05-2,5 мм. После этого по-горячему (при температуре 100-120 °С) проводили набивку стальной трубки. Такая температура необходима для размягчения каменноугольного пека, что позволяет более плотно набивать ЭС. Затем электрод помещали в специальный стакан, выполненный из стальной трубы, заполняли его коксовой мелочью для предотвращения контакта КЭ с окружающей средой и опускали в шахтную печь для коксования в течение 8-10 ч. После коксования электроды извлекали из стакана, нарезали в верхней их части резьбу для крепления в лабораторной установке и определяли их длину и массу.
1 — электродная смесь; 2 — стальная трубка Рисунок 1 Общий вид КЭ
Лабораторные исследования проводили с использованием экспериментальных образцов КЭ, изготовленных в соответствии с матрицей двухфакторного планированного эксперимента с двумя звёздными точками (табл. 1) [2].
Содержание МнС и ДИ согласно матрице планированного эксперимента изменялось от 8,96 % до 16,04 %, а их фракция — от 0,05 мм до 2,5 мм.
В качестве источника питания использовали ТИР-630. В процессе сжигания опытных образцов КЭ работали на переменном токе и поддерживали значение силы тока 250 А.
ISSN2077-1738. Сборник научных трудов ГОУ ВПО ЛНР «ДонГТУ» 2018. № 11 (54)
_Металлургия и материаловедение_
Таблица 1
Значения исследуемых в планированном эксперименте параметров
№ Значения переменных факторов
f(фракция добавки, мм) Q (количество добавки, %)
1 0,40 10
2 0,40 15
3 2,00 10
4 2,00 15
5 0,05 12,5
6 2,5 12,5
7 1,0 8,96
8 1,0 16,04
9 1,0 12,5
Перед проведением экспериментов по сжиганию КЭ теплоизолированный снаружи асбестом спай платино-платинородиевой термопары (ТПП) закрепляли в отверстии стальной трубки КЭ [3]. Теплоизоляция спая ТПП необходима для предотвращения его нагрева отходящими газами. КЭ сжигали внутри углеродистого трубчатого защитного кожуха 0100x12 мм (рис. 2). В верхней части лабораторной установки располагался опытный образец КЭ, а в нижней — нерас-ходуемый (графитовый) электрод.
В процессе сжигания электрода спай ТПП приближался к области горения дугового разряда, при этом через каждые 30 с записывали показания ЭДС, измеряемой милливольтметром М2020. После проведения процесса сжигания определяли длину огарка КЭ и его вес, а полученные значения ЭДС с помощью градуировочной таблицы переводили в значения температуры. Огарки КЭ представлены на рисунке 3. После обработки полученных экспериментальных данных рассчитывали скорость расходования КЭ, с помощью которой можно определить, на каком расстоянии от зоны горения электрической дуги находится спай ТПП в определённый промежуток время.
Таким образом, получается экспериментальное решение обратной задачи Й. Стефана — определяется температурное поле по длине электрода при известной ско-
рости его расходования. По экспериментально установленному распределению температуры вдоль электрода можно определить величину теплового потока по его длине.
В качестве исходных данных для расчёта теплового потока по длине электрода использовались следующие экспериментальные данные (табл. 2-4):
- время горения электрода (т), с;
- температура в зоне спая ТПП (;), °С;
- длина сгоревшей части КЭ (/сг.);
- расстояние от нижнего торца КЭ до спая ТПП перед его сжиганием (/ТПП).
1 — нерасходуемый электрод; 2 — защитный кожух; 3 — КЭ; 4 — ТПП; 5 — термопара ХА; 6 — станина; 7 — электрододержатели
Рисунок 2 Установка для сжигания КЭ
V
Рисунок 3 Огарки КЭ после их сжигания
Металлургия и материаловедение
Таблица 2
Изменение температуры КЭ с добавкой ШМнС в ЭС при его сжигании в зоне спая ТПП
т, с t, °С
КЭ1 КЭ2 КЭ3 КЭ4 КЭ5 КЭ6 КЭ7 КЭ8 КЭ9 КЭ1 КЭ2 КЭ3 КЭ4 КЭ5 КЭ6 КЭ7 КЭ8 КЭ9
0 0 0 0 0 0 0 0 0 15 15 15 15 15 15 15 15 15
30 30 30 30 30 30 30 30 30 26 39 26 26 26 26 26 26 26
60 60 60 60 60 60 60 60 60 51 51 39 51 39 32 45 39 39
90 90 90 90 90 90 90 90 90 58 64 51 64 39 51 58 51 51
120 120 120 120 120 120 120 120 120 102 90 64 90 51 64 64 64 64
150 150 150 150 150 150 150 150 150 152 115 90 115 64 90 90 77 90
165 180 180 180 180 180 180 180 176 115 127 83 115 108 90 115
200 210 210 210 210 210 152 102 127 121 127 139
240 240 240 230 240 115 152 139 152 164
270 270 245 133 164 146
300 280 139 164
310 152
Таблица 3
Изменение температуры КЭ с добавкой ДИ в ЭС при его сжигании в зоне спая ТПП
т, с t, °С
КЭ1 КЭ2 КЭ3 КЭ4 КЭ5 КЭ6 КЭ7 КЭ8 КЭ9 КЭ1 КЭ2 КЭ3 КЭ4 КЭ5 КЭ6 КЭ7 КЭ8 КЭ9
0 0 0 0 0 0 0 0 0 15 15 15 15 15 15 15 15 15
30 30 30 30 30 30 30 30 30 19 19 26 26 19 19 16 19 19
60 60 60 60 60 60 60 60 60 26 26 26 26 26 26 26 26 26
90 90 90 90 90 90 90 90 90 39 26 39 39 39 39 32 39 39
120 120 120 120 120 120 120 120 120 39 26 51 51 45 58 39 51 51
150 150 150 150 150 150 150 150 150 51 26 64 77 58 64 51 64 64
180 180 180 160 180 180 180 180 180 64 26 77 83 64 77 64 77 90
210 210 210 210 210 210 210 210 77 77 83 77 90 77 96 127
240 240 230 240 240 220 26 90 90 90 115 152
270 265 270 270 45 90 102 127
300 280 115 139
330 127
360 152
375 152
Металлургия и материаловедение
Таблица 4 Длина сгоревшего КЭ и расстояние от нижнего его торца до ТПП
ШМнС КЭ1 КЭ2 КЭ3 КЭ4 КЭ5 КЭ6 КЭ7 КЭ8 КЭ9
1сг., мм
53 59 88 47 74 58 53 80 75
1тпп, мм
83 97 121 92 116 101 93 106 100
§ 1сг., мм
11 58 58 16 66 56 82 69 112
1тпп, мм
104 131 127 129 141 112 141 116 147
Для примера рассчитаем температуру дуги для комбинированного электрода № 2 с добавкой в электродную смесь 15 % ШМнС фракцией 0,40 мм. Процесс рассматриваем как стационарный, когда температура на торце оплавленной трубки составляет 1520 °С, а расстояние от оплавленного торца трубки до торца ЭС составляет 3 мм, т. е. до точки горения электрической дуги [1].
Для расчёта длины КЭ, вовлеченного в теплообмен, используется формула
L =
l
общ.
• (Г2 -Ti) + T
(1)
где тобщ — полное время горения КЭ (опыта);
T и т2 — начальное и конечное время горения КЭ для определённого промежутка времени, с;
lT — расстояние до спая ТПП после сжигания, мм.
Тогда через 150 с от начала сжигания КЭ расстояние до спая ТПП составит
lx = 1тпп - 1сг = 97-59 = 38 мм,
а для 120 с, в соответствии с формулой (1),
59
L|20 =--(150 -120) + 38 = 50 мм,
120 150
и т. д.
Далее определяем средние значения натуральных логарифмов Li и t (lnL,; Int; (lnL)2; (lnt)2; lnLj- lnt) для определённого
временного промежутка горения КЭ. После выполнения математических действий получаем средние значения натуральных логарифмов, которые представлены в таблице 5.
Линейная зависимость между значениями логарифмов L и I будет иметь вид
ln t = bt/L • ln(L) + t,
(2)
где bt /l — отношение выборочных дис-
персий средних значений lnL и (lnL )2 :
S
bt/L = rt/L • (7Т"), SL
(3)
где г(/ь — коэффициент корреляции линейной зависимости L и
St и SL — выборочная дисперсия lnL и
(lnL )2 соответственно, которая рассчитывается по формулам
SL = ^ln L2 - (ln L)2 , St =y]ln t2 - (ln t)2,
(4)
(5)
2 2
где 1п L, 1п t и (1п L) , (1п t) — средние значения натуральных логарифмов L и t и их квадратов.
Таблица 5 Значение средних натуральных логарифмов для Li и t
L, мм t, 0С lnL; lnt (lnL; )2 (ln t )2 lnL ' ln t
173 15 5,152 2,708 26,540 7,334 13,951
114 39 4,734 3,652 22,408 13,338 17,288
84 51 4,433 3,940 19,655 15,523 17,468
65 64 4,167 4,162 17,368 17,323 17,345
50 90 3,908 4,495 15,273 20,203 17,566
38 115 3,638 4,742 13,232 22,482 17,248
3 1520 1,099 7,327 1,207 53,677 8,049
Среднее 3,876 4,432 16,526 21,411 15,559
Рассчитываем коэффициент корреляции линейной зависимости:
rt/L =
covt / L
Sl • St
(6)
Металлургия и материаловедение
где соу^ь — ковариация между средними значениями 1пЬ и (1пЬ )2 , которая определяется по формуле
соу/1 = (1п Ь • 1п I) - 1п Ь • 1п t. (7)
После потенцирования выражения (2) получаем зависимость температуры в данном поперечном сечении электрода, расположенном на определённом расстоянии от источника тепла (т. е. столба электрической дуги (д):
-1,0761п Ь
td = 5447 • e~
(8)
По полученным экспериментальным данным с использованием пакета прикладных программ Microsoft Office Excel и предложенного в работе алгоритма была рассчитана td для всех опытных образцов КЭ, значения которой представлены в таблице 6.
Результаты полученных опытных данных для процесса сжигания КЭ с добавкой в ЭС ШМнС и ДИ были статистически обработаны с помощью стандартного пакета программ Statistica 64 Version 10. Полученные зависимости представлены на рисунке 4, а уравнения регрессии — в таблице 7.
Для удобства анализа представленных на рисунке 4 данных были построены парные зависимости исследуемых параметров при постоянном значении третьего (рис. 5). Парные уравнения регрессии для представленных на рисунке 5 зависимостей приведены в таблице 8.
Таблица 6 Температура дуги при изменении содержания добавки в ЭС (Q) и их фракции (f
№ п/п Значения переменных факторов td, °С
f, мм Q, % ШМнС ДИ
1 0,40 10 8415 5225
2 0,40 15 5447 5647
3 2,00 10 6095 5880
4 2,00 15 6954 4834
5 0,05 12,5 7527 6000
6 2,33 12,5 8021 6669
7 1,0 8,96 7457 8192
8 1,0 16,04 6626 7879
9 1,0 12,5 7257 7055
Таблица 7 Уравнения регрессии, описывающие связь между и составом КЭ
Добавка в ЭС ШМнС
^ = 11267,6557 - 6461,7496 • f + +68,9056 • (ШМнС) + 325,7065 • f2 + +449,6729 • f • (ШМнС) - 29,1027 • (ШМнС)2
Добавка в ЭС ДИ
^ = 9010,84 + 4146,2336 • f --714,5592•(ДИ)-737,6621 • f2 --180,6922 • f • (ДИ) + 34,4002 • (ДИ)2
На рисунке 5 представлены парные зависимости величины tд от фракционного и химического состава ЭС при использовании в качестве добавки ШМнС и ДИ с крупностью до 1,0 мм.
Выбор данного ограничения по фракции материала обусловлен невозможностью получения плотной структуры набивки ЭС при крупности более 1,0 мм, а также возможным измельчением добавки в процессе набивки стальной трубки.
Полученные экспериментальные данные и результаты их статистической обработки свидетельствуют о том, что наибольшие значения температуры дуги наблюдаются при минимальной добавке ШМнС в ЭС. При этом увеличение крупности способствует снижению температуры дуги, что подтверждает данные, полученные в работе [4].
При добавке в ЭС ДИ tд значительно меньше, чем при использовании ШМнС. Причём увеличение количества добавки с 7 % до 11 % приводит к снижению tд, а дальнейшее её увеличение до 17 % способствует росту значений tд до величины, соответствующей 10 %. Кроме того, увеличение размеров частичек ДИ благоприятно сказывается на тепловом балансе процесса. Более низкая tд при использовании в составе ЭС ДИ может быть обусловлена протеканием реакций восстановления кальция и магния, которые требуют больших затрат тепла, а также процессом разложения ДИ.
Металлургия и материаловедение
а) б)
Рисунок 4 Зависимости температуры дуги от содержания добавки в ЭС и её фракции: а — ШМнС, б — ДИ
(ШМнО, %
♦-0.2 мм ■ (1.2-0.4 мм А0.4-0,6 мм -.0.6-0.8 мч 00,8-1.0 мм »-0.2 мм «0.2-0,4 мм д0,4-0.6 мм -0,6-0,8 мы i0.8-1,0 мм
а) б)
Рисунок 5 Влияние состава ЭС на tд: а — ШМнС; б — ДИ
Таблица 8
Уравнения регрессии, описывающие влияния состава ЭС на tд
Количество добавки в ЭС, % Уравнение регрессии
ШМнС ДИ
-0,2 мм ?д=-29,103 (ШМнС)2+158,84 (ШМнС)+9988,3 ?д=34,4(ДИ)2-750,7 (ДИ)+9810,6
0,2- 0,4 мм ?д=-29Д03(ШМнС)2+248,77 (ШМнС)+8735Д ?д=34,4-(ДИ)2-786,84-(ДИ)+10551
0,4- 0,6 мм ?д=-29,103 • (ШМнС)2+338,71 • (ШМнС)+7507,9 ?д=34,4(ДИ)2-822,97 (ДИ)+П233
0,6- 0,8 мм ?д=-29,103 • (ШМнС)2+428,64 (ШМнС)+6306,7 ?д=34,4(ДИ)2-859,11 (ДИ)+11856
0,8- -1,0 мм ?д=-29,103 • (ШМнС)2+518,58^ (ШМнС)+5131,6 ?д=34,4(ДИ)2-895,25 (ДИ)+12419
Металлургия и материаловедение
На основании полученных данных можно сделать вывод, что ДИ нецелесообразно использовать в качестве добавки для ЭС, а добавку мелких фракций ШМнС можно использовать лишь для обеспечения синхронного расходования всех элементов рудно-восстановительных блоков.
Библиографический список
В ходе дальнейших исследований предполагается проанализировать влияние химического и фракционного состава ЭС на энергетические параметры процесса горения КЭ, их линейную и массовую скорости расходования.
1. Электродуговая и электромагнитная обработка расплавов [Текст] : монография /
A. Н. Смирнов и др. — Алчевск : ДонГТУ, 2013. — 320 с.
2. Воронько, М. И. Разработка методики для оценки влияния состава электродной смеси на её электропроводность [Текст] /М. И. Воронько, В. О. Десятников, М. Ю. Проценко // Металлургия XXI столетия глазами молодых : материалы IV Международной научно-практической конференции молодых учёных и студентов. — Донецк, 2018. — С. 39-42.
3. Проценко, М. Ю. Анализ температурных и энергетических параметров процесса дугового глубинного восстановления элементов [Текст] /М. Ю. Проценко, С. Б. Эссельбах, С. В. Куберский,
B. С. Эссельбах, Е. В. Штепан // Сб. науч. тр. ДонГТУ. — Алчевск, 2010. — Вып. 32. — С. 261-270.
4. Куберский, С. В. Исследование влияния состава электродной смеси на её удельное электросопротивление [Текст] / С. В. Куберский, М. Ю. Проценко, М. И. Воронько, В. И. Проценко // Сб. науч. тр. ДонГТУ. — Алчевск, 2018. — № 10 (53). — С. 70-75.
© Куберский С. В. © Проценко М. Ю. © Воронько М. И. © Проценко В. И.
Рекомендована к печати д.т.н., проф., зав. каф. МЧМ ДонГТУНовохатским А. М., зам. нач. ЦЛК филиала № 12 ЗАО «Внешторгсервис» (ПАО «АМК») Тарасовым В. Н.
Статья поступила в редакцию 16.10.18
к.т.н. Куберський С. В., к.т.н. Проценко М. Ю., Воронько М. I., Проценко В. I. (ДонДТУ, м. Алчевськ, ЛНР)
АНАЛ1З ВПЛИВУ СКЛАДУ ЕЛЕКТРОДНО1 СУМ1Ш1 НА ТЕМПЕРАТУРУ СТОВПА ЕЛЕКТРИЧНО1 ДУГИ
Досл1джено вплив х1м1чного 7 фракцтного складу електродног сум1ш1 комб1нованого елект-роду, що використовуеться в рудно-в1дновлювальних блоках процесу дугового глибинного в1днов-лення, на температуру стовпа електричног дуги. З використанням методу термометрування виконано анал1з впливу вм1сту в1двального шлаку в1д виробництва сил1комарганцю 7 долом1тизо-ваного вапняку, а також гх крупност1 на температурний режим гор1ння електричног дуги. Показано, що введення добавок викликае зниження температури стовпа дуги, а велик7 гг значення досягаються при зменшенм крупност1 частинок шлаку в1д виробництва сил1комарганцю 7 зб1-льшент фракцп використаного долом1тизованого вапняку.
Ключовi слова: позатчна обробка, дугове глибинне в1дновлення, комб1нований електрод, еле-ктродна сум1ш, склад, крупшсть, шлак сил1комарганцю, долом1тизований вапняк, електрична дуга, температура стовпа дуги.
ISSN 2077-1738. Сборник научных трудов ГОУ ВПО ЛНР «ДонГТУ» 2018. № 11 (54)
_Металлургия и материаловедение_
PhD Kubersky S. V., PhD Protsenko M. Yu., Voronko M. I., Protsenko V. I. (DonSTU, Alchevsk, LPR)
ANALYSIS OF ELECTRODE MIXTURE COMPOSITION IMPACT ON THE TEMPERATURE OF THE ELECTRIC ARC
The influence of the chemical and fractional composition of the electrode mixture of the combined electrode used in the ore-reduction blocks of the arc depth reduction process on the temperature of the electric arc was investigated. Using the thermometry method the impact analysis has been made for waste slag content at the production of silicomanganese and dolomitic limestone, as well as their size on the temperature of the electric arc. It is shown that additives input cause the arc temperature fall, but its greater values are achieved with lessening the size of slag particles from the production of sili-comanganese and increasing the fraction of used dolomitic limestone.
Key words: after-treatment, arc deep recovery, combined electrode, electrode mixture, composition, grain size, silicomanganese slag, dolomitic limestone, electric arc, arc column temperature.
