Физико - химическая модель процесса выплавки стали в дуговых печах с использованием синтикома Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 658.512.011; 519.711.3; 669.18

B.А. Ерофеев, канд. техн. наук, доц., (4872) 33-17-85, va-erofeev@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

C.К. Захаров, канд. техн. наук, доц., (4872) 33-17-85, zzzsk1971 @yandex.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

А.А. Протопопов, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, (4872) 33-17-85, protopopov@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ), А.Н. Тюрин, асп., (4872) 33-17-85, tyurinalexeg1986@yandex.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

Г.А. Дорофеев, канд. техн. наук, доц., (4872) 33-17-85, protopopov@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

О.И. Зайцев, канд. техн. наук, доц., (4872) 33-17-85, zaytcev@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

А.В. Масленников, канд. техн. наук, доц., (4872) 33-17-85,

maslen. shura@mail.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

П.И. Маленко, канд. техн. наук, доц., (4872) 33-17-85,

malenko@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

Е.А. Протопопов, ассист., (4872) 33-17-85, pea@tsu.tula.ru

(Россия, Тула, ТулГУ)

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ВЫПЛАВКИ СТАЛИ В ДУГОВЫХ ПЕЧАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИНТИКОМА

Разработана физико-химическая модель процесса выплавки стали в электродуговой печи на базе системы уравнений химических реакций и массопереноса веществ, позволяющей выполнить расчёт распределения концентраций химических элементов в расплаве в ходе плавки в соответствии с распределением температуры и энтальпии расплава.

Ключевые слова: физико-химическая модель, термодинамическая модель, электродуговая печь, массоперенос, плавка металла, металлошихта.

Для выплавки стали в дуговых сталеплавильных печах (ДСП) используют различные технологии, но большинство из них предусматривают нагрев и плавление твердой кусковой шихты, стадию окисления, на которой увеличивают подачу кислорода, и стадию восстановления, в ходе которой на поверхность металлической ванны подают угольную пыль при вспенивании шлака.

Особенностью производства стали с использованием синтикома является то, что часть требуемого для проведения плавки кислорода входит в твердом виде в форме оксидов железа в состав синтикома, в результате чего снижается расход газообразного кислорода во время плавки.

Металлошихта ДСП представляет собой смесь металлического лома, чушек передельного чугуна и синтикома, которые после загрузки в

печь представляют собой практически неупорядоченную массу, термодинамические свойства которой зависят от коэффициента заполнения объёма печи.

При описании свойств шихты заданного состава используется среднее значение насыпной плотности, характеризуемое коэффициентом

1 mл + ТПч + тс (1)

кШ -\ ' (1)

Р

тл + тч + тс

(

тл + тч тс + —

^Р л Рч Рс

где тл, тч, тс - засыпные массы лома, чугуна и синтикома, кг; рл ,рч, р(

кг кг

- плотности их засыпки, —3, р - плотность чугуна, —3.

м м

Передельный чугун и синтиком содержат значительное количество углерода С. В синтиком введены оксиды железа, составляющие до 15 % массы чушки [2]. В ходе плавки на стадии окисления подаётся кислород. На стадии восстановления на поверхность расплава вдувается коксовая пыль и производится загрузка извести, содержащей в основном СаО, а также MgO , А1203, Р205, Fe203, 5.

Определение объёма расплава и шлака. В процессе плавки изменяется уровень металлической и шлаковой ванн вследствие плавления шихты.

Соотношение между объёмами металла и шлака принято в первом приближении пропорциональным их фактической доле в шихте. Объёмы металлического расплава Vм и шлака Vя рассчитываются по формулам

X о М{ X о М{

Vм = М | г drdф dz, VR = Я | г drdф dz, (2)

X оGo X оGo

где М, Я - фактическая доля объёма металла и флюса в шихте, %; X о Оо, X о М1 - поверхности раздела между шихтой X и газовой средой Оо и металлической ванной М1 на момент начала плавки и текущий момент времени.

Уровни металлической и шлаковой ванн определяются с учётом фактического расположения поверхности раздела X о М1 между жидким металлом и шихтой, а также с учётом профиля поверхности X о F дна печи. Уровень металлической и шлаковой 2я ванн определяется решением интегральных уравнений

2М 2 = УЩГ 2Я 2 = УЩГ | drrdф dz-М—--> Vм, | drrdф dz-—-> Vм + Vя. (3)

(X о М (X о М

Окислительная фаза процесса. Технологический цикл содержит окислительную фазу, при которой в пространство печи подаётся кислород

без газа и угольного порошка. Это вызывает реакцию окисления железа и других элементов, входящих в состав шихты. Реакция окисления протекает с выделением большого количества теплоты на поверхности расплава X п М . Так как количество кислорода ограничено, то мощность тепловыделения определяется расходом кислорода.

Расчеты приводятся для расхода кислорода при нормальных условиях (НУ) - давлении 101325 Па т. е. 1 атм и температуре 0 ° С [1].

кг 3

Для НУ плотность кислорода 1,429 —3 [3]. Соответственно 1 м

м3

кислорода при НУ имеет массу = 1,429 кг .

Масса окисляемого элемента в кг определяется по формуле [4]

тО2 ViЦi

тг =-2-, (4)

V О2 Ц О2

где тО2 - масса 1 м3 при н.у., кг; Vг, Vо2 - стехиометрический коэффициент соответственно г-го элемента и кислорода в химической реакции окисления г-го элемента; ^г, ^о^ - молярная масса г-го элемента и молекулярного кислорода, г/моль.

Ниже приведены молярные массы основных реагентов при выплавке стали из шихты, содержащей синтиком (табл. 1).

Таблица 1

Молярные массы реагентов, г/моль

№ п/п Реагент Цг Реагент Ц1 Ц

1 О2 32 СО2 44

2 Sl 28 Р 30,974

3 ЯЮ2 60 Р2О5 141, 943

4 Fe 55,847 Сг 52

5 FeO 71,846 СГ2О3 152

6 2О3 159,694 Мп 54,938

7 С 12 МпО 70,938

8 СО 28 — —

Основные экзотермические реакции, протекающие при выплавке стали из шихты, содержащей синтиком [2, 4], теплоты реакций Qj и количество кислорода то2, окисляющегося 1 кг элемента реакции, приведены в табл. 2.

Таблица 2

Основные экзотермические реакции при выплавке стали

№ Элемент Реакция п МДж кг 3 м

п/п т/,- кг

1 Б/ [ Б/ ] + {О2} = {Б/О2} 31,1 1,25

2 Мп [Мп] + 0,5{02} = (МпО) 7,41 4,907

3 Ре [ Ре ] + 0,5{02} = (РеО) 4,82 4,988

4 СО {СО} + 0,5{О2} = {СО2} 10,08 2,501

5 С [С ] + 0,5{О2} = {СО} 11,43 1,072

6 р 2[ Р ] + 2,5{О2} = (Р2О5) 25 1,107

7 Сг 2[Сг ] + 1,5{О2} = (СГ2О3) 11,33 3,096

В таб. 2 скобками выделено расположение элемента: [] - в металле, ( ) - в шлаке, { } - в газовой фазе.

Количество образующегося оксида /-го элемента

т

тп =--Vу ■ цу (5)

V / -ц /

где Vу - стехиометрические коэффициенты оксида /-го элемента; Цу -

молекулярная масса оксида /-го элемента.

Восстановительная стадия процесса. Экспериментально установлено [2], что углерода, содержащегося в синтикоме, достаточно для полного восстановления оксидов железа в синтикоме, если их массовое содержание не превышает 15 %. Масса чушки синтикома в среднем около 8,8 кг. В данном случае одна чушка синтикома содержит 1,32 кг Fe 2О3.

Как известно, уменьшение концентрации углерода (углерод тратится на восстановление оксидов железа в синтикоме, находящихся в нем в виде окатышей) начинается в процессе нагрева чушки синтикома с момента начала плавления матрицы (для передельного чугуна Т8 = 1150 °С,

Т^ = 1230 °С, что совпадает с температурой размягчения окатышей [2]. Окатыши, например, Михайловского ГОКа, размягчаются в температурном диапазоне 1150...1230 °С и имеют температуру плавления 1380 °С [2].

Равномерная убыль концентрации углерода в области первичного объема, который геометрически занимала чушка синтикома, продолжается

при нагреве данного объема до 1630 °С [2].

Таким образом, эндотермическая реакция восстановления железа протекает в синтикоме в процессе его нагрева равномерно, начиная с тем-

пературы 1150 °С, и заканчивается при полном преобразовании Fe2Oз углеродом, содержащимся в чугуне, в железо при температуре 1630 °С.

Эффект поглощения теплоты в разрабатываемом алгориме расчета учитывается в зависимости от энтальпии и температуры. Особенностью реакции восстановления является её необратимость, так как один из её продуктов - угарный газ - удаляется из расплава. Поэтому используется зависимость энтальпии от температуры H(Г,Сре о ), которая постепенно

трансформируется в зависимости от содержания оксида железа Сре о в

синтикоме от максимального значения для загруженной шихты до нулевого значения в чугуне (рис. 1).

Н, кДж/см3 12

10.5

9

7.5 в

4.5

1.5

A >

Б, 5v i * " 1

В

A

4

0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 2250

т, °с

Рис. 1. Зависимость энтальпии от температуры: 1 - для передельного чугуна; 2, 4 - реакции Fe2O$ + 3C = 2Fe + 3CO; 3, 5 - для металлошихты из 20 т лома, 40 т чугуна и 40 т синтикома

Для использования этой зависимости при решении уравнения энергии необходимо учитывать распределение содержания Сре о в зоне расплава Р. Содержание С^2О3 в каждой точке пространства рассчитывается по формуле

C Fe 2 O3

mm

CFe2O3 'С0

1 -

H - H

w

S

HC - HS

(6)

где Со - исходное содержание Сре^Оъ в шихте; Н - энтальпия в данной

точке; Н$ - энтальпия чугуна при температуре солидуса; Не - энтальпия полного окончания реакции восстановления железа углеродом чугуна, соответствующая температуре 1630 °С.

Удаление углерода из чугуна сопровождается значительным выделением окиси углерода. При расходе 1 кг Рв 2О3 на восстановление железа выделяется 0,526 кг СО. Объем выделяющегося СО при нормальных условиях (1 атм, 0 оС) определяется через плотность СО, которая при 0 ° С

составляет р 0 °С = 1,25 ^3, т. е. выделяется 0,42 м3 СО. Для другой

С ^ и С «-'

м

температуры используется соответствующая плотность. Например, при

кг

1400 ° С Рсо 0 °с = 0,204—3 и выделяемый объем СО составит в данном

_ м

случае 25,8 м3.

Так как реакция восстановления протекает неравномерно, то поток угарного газа непрерывно изменяется. Для оценки величины потока определяются скорости изменения концентрации Рв2О3 в разных точках расплава, по этой скорости определяются объём выделяемой окиси углерода и общий поток из печи

Qcо = Ксоа3р I

i, 7, keP

йС

Ре 2 О3

м

с

V У

(7)

где Ксо - коэффициент газовыделения, Ксо = 25,8

м

кг

р - плотность

синтикома,

кг

3

м

Определение концентрации элементов в расплаве. Концентрация элементов в расплаве изменяется при плавлении компонент металло-шихты, перехода элементов металлошихты в расплав, химического взаимодействия элементов в расплаве и перемещения продуктов взаимодействия потоком жидкости. Реакции сосредоточены вблизи поверхности плавления шихты.

Изменение концентрации С всех элементов расплава описывается уравнением массопереноса

дС дх

D

д

гдг

дС

дг

+

д

дС

г 2 дф

дф

+

_д_ дz

дС' дz

+ V,

дС дг

+ V

ф

дС дф

+ V,

дС дz

, (8)

где D - коэффициент диффузии данного элемента в жидком железе; Уг, V z, Уф - скорости движения расплава.

г

Граничные условия уравнения переноса:

1) на поверхности плавления металлошихты концентрации определяются по результату химического взаимодействия элементов в пропорциях для материала шихты;

2) на поверхности расплава в контакте с газовой средой для элементов, вдуваемых из верхних фурм, задаётся значение внешнего распределения концентрации этих элементов С = С (г, ф), для прочих элементов С = 0.

Течения расплава. Движение расплава в печи обусловлено подачей аргона через донные фурмы, который создаёт упорядоченный поток расплава, направленный вверх в центральной части и вниз у стенок печи (рис. 2).

Поток аргона QAr направляется вверх, вовлекая в движение расплав, который совершает вихревое движение вокруг кольцевой оси вращения О. Максимальная скорость вихря - в центре расплава и на его поверхности. Скорости течения равны нулю у стен. Закон распределения скоростей течения в осевых сечениях имеет параболический характер.

Рис. 2. Схема течения расплава под действием потока аргона, подаваемого через донные фурмы

Поток инертного газа QAr в области действия донных фурм создаёт на их оси скорость движения расплава V2 тах

^Аг Р0

тах о „

з^Аг р2р

(9)

где DAr - диаметр отверстия каждой из 3 - х донных фурм; ро - нормальное (атмосферное) давление, р - плотность металла; 2р - уровень расплава в печи.

Распределение течения по зоне расплава описано аналитическими соотношениями, полученными из неразрывности потока

1.5 ^

j,k ^,тах

Аг

г + 1.5 ^

Аг

2 ^ 2 с 2

г 1 - г

- +

2 2

го ) V

\2

(10)

где г, г - координаты точки на рис. 2; Го, ¿0 - координаты центра вихря, зависящие от диметра печи и уровня расплава

г0 =(! -^)гт > ¿0 =^2т . (11)

При химических реакциях возникают компоненты, плотность которых меньше плотности расплава. Эти компоненты всплывают и постепенно накапливаются в шлаке. Это учитывается заданием дополнительной компоненты скорости движения по координате 2

Зу,

Р-Р С

я, 8 , (12)

д Р С

где р, рс - плотности расплава и компонента; g - ускорение свободного падения.

Результаты моделирования. Моделирование физико-химических процессов выполняется вместе с моделированием термодинамического состояния сталеплавильной печи. В ходе плавки в соответствии с технологическим циклом изменяется объём расплава и шлака и производится подача кислорода, угольного порошка и извести, что учитывается в граничных условиях уравнения массопереноса. Исключением являются концентрации веществ, входящих в чугун и синтиком, которые изначально равномерно распределены по объёму расплава. Основная эндотермическая реакция окисления углерода и восстановления железа в гранулах синтикома рассчитывается по значению энтальпии расплава. На рис. 3 показано расчётное распределение концентрации оксида железа в расплаве в конце 17-й фазы цикла плавки.

Рис. 3. Распределение концентрации оксида железа в расплаве в конце 17-й фазы цикла плавки

На рис.4. показано изменение количества оксида железа и потока угарного газа в ДСП при плавке шихты, содержащей 40 тонн синтикома, 40 тонн передельного чугуна и 20 тонн металлолома.

1

"1 Ре20з-т

5

м3

Ом-СО.—

Л

пРе20 Л г "со {\

А N \ 1

1 \

/ /

10 20 30

200

150

100

50

40 50

I. МИН

Рис. 4. Изменение массы оксида железа и потока оксида углерода в ходе выплавки стали

Разработанная физико-химическая модель процесса позволяет выполнить анализ изменения в ходе плавки распределения химических элементов в расплаве с использованием синтикома при заданном технологическом цикле дуговой печи.

Заключение. Разработана математическая модель физико-химических процессов выплавки стали в ДСП из синтикома. Расчёт химических процессов выполняется в ходе моделирования термодинамического состояния ДСП и использует результаты расчёта распределения температур, что позволяет определять текущий объём расплава. Модель воспроизводит управляющие воздействия технологии плавки (подачу кислорода, угольного порошка и извести, аргона в донные фурмы) на химические реакции в расплаве и образование шлака. Расчёт химических реакций выполняется для поверхностей раздела между расплавом и металлошихтой и расплава со шлаком, а также с газовой средой. Перенос элементов в расплаве определяется скоростью перемещения расплава, создаваемого подачей аргона через донные фурмы и гравитационными силами, создающими перенос легких элементов металлической ванны в шлак.

Результатами моделирования являются распределение скоростей течения расплава и концентрации химических элементов, а также изменение общих показателей процесса: количества углерода и оксида железа в расплаве, потока оксида углерода и других веществ, участвующих в химических процессах выплавки стали.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, ГК № 07.514.11.4093.

Список литературы

1. Земский Г.Т. Физико-химические и огнеопасные свойства органических химических соединений: справочник. М.: ФГУ ВНИИПО МЧС России, 2008. 502 с.

2. Шахпазов Е.Х., Дорофеев Г.А. Новые синтетические композиционные материалы и технология выплавки стали с их использованием. М.: Интерконтакт Наука, 2008. 272 с.

3. Теплофизические свойства топлив и шихтовых материалов черной металлургии: справочник / В.М. Бабошкин [и др.]. М.: Металлургия, 1982. 152 с.

4. Рябов А.В., Чуманов И.В., Шишимиров М.В. Современные способы выплавки стали в дуговых печах: учеб. пособие. М.: Теплотехник, 2007. 192 с.

5. Производство и применение синтетических композиционных материалов при выплавке стали в дуговых электропечах / Вздыханько М.М. [и др.] // Черная металлургия. 2012. Вып.1. С. 38-45.

V.A. Erоfееv, S.K. Zakcharov, A.A. Protopopov, A.N. Tyurin, G.A. Dorofeev, O.I. Zaycev, A. V. Maslennikov, P.I. Malenko, E.A. Protopopov

THE PHYSICOCHEMICAL MODEL OF THE STEELMAKING PROCESS IN THE ELECTRIC ARC FURNACE USING SYNTHICOM

The physicochemical model of the steelmaking process in the electric arc furnace based on the equation of the chemical reactions and mass transfer of materials is developed. The model allows to perform the calculation of the concentration distribution of chemical elements in the melt during melting in accordance with the distribution of temperature and enthalpy of the melt.

Key words: physicochemical model, thermodynamic model, electric arc furnace, mass transfer, metal smelting, metal charge.

Получено 17.05.12