Физико-математическое моделирование нового энергометаллургического процесса (процесс orien) в электродуговой сталеплавильной печи Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 658.512.011; 519.711.3; 669.18

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НОВОГО ЭНЕРГОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА (ПРОЦЕСС ОМЕ^ В ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ

А. А. Арсеньева, В. А. Ерофеев, Г. А. Дорофеев,

А.А. Протопопов, П.И. Маленко

Разработаны основы построения компьютерной модели для анализа сложных физико-химических явлений процесса ОШЕЫ в электродуговой сталеплавильной печи (ДСП) непрерывного действия, являющейся основным агрегатом энергометаллургического комплекса. Создана математическая модель физико-химических процессов, протекающих в ДСП при одновременном получении жидкого железа прямого восстановления и газификации угля на базе уравнения термодинамического состояния веществ. Модель позволяет выполнить полный энергетический анализ процесса ОШЕЫ с учетом тепловыделения электрических дуг, основных химических реакций, а также тепломас-сопереноса расплава и паров металла.

Ключевые слова: процесс ОШЕЫ, физико-математическое моделирование, электродуговая сталеплавильная печь, железо прямого восстановления, газификация угля.

Процесс СК1ВК относится к новому виду энергометаллургических технологий и представляет собой комбинированный жидкофазный одностадийный процесс, реализующий высокоэффективную комбинированную технологию совместного получения железа прямого восстановления и газообразного топлива из угля для последующей выработки на его основе электрической и тепловой энергии.

В качестве металлургического агрегата для реализации процесса ОМВК рассматривается электродуговая печь сталеплавильного типа непрерывного действия (ДСП). Исходными материалами процесса являются железорудное сырьё в виде концентрата или порошкообразной руды, порошкообразный уголь и газообразный кислород.

Принципиальной основой технологии ОЯ1ВК является совместное протекание следующих процессов:

1) восстановление оксидов железа, подаваемых внутрь ванны железоуглеродного расплава, углеродом, растворённым в железе и присутствующем в нём в атомнодисперсном состоянии. Удельная скорость восстановления при этом оценивается значениями более 5 кг/(м3-с), что на два порядка превышает аналогичный показатель в доменных и шахтных печах;

2) получение газообразного топлива из находящегося в растворе с железом угля, подаваемого внутрь ванны железоуглеродного расплава и реагирующего с расплавленными оксидами железа, поступающими в ДСП из железной руды, и жидкими оксидами железа, образующимися при по-

даче газообразного кислорода внутрь объема железоуглеродного расплава.

Отличительной чертой предложенной технологии ОМВК является недоступная в других способах возможность переработки некоксующихся углей и неокускованного железорудного сырья в дефицитные и ценные товарные продукты с повышенной добавленной стоимостью.

Процесс ОМВК способен решить задачу пирометаллургического обогащения ряда не используемых в настоящее время по экономическим соображениям природнолегированных руд, содержащих оксиды хрома, титана, ванадия, марганца.

Учитывая сложность физического моделирования процесса ОМВК и неприменимость теории подобия к разномасштабным металлургическим агрегатам, единственным методом исследования является метод компьютерного моделирования.

ДСП для гибридного процесса одновременного получения железа прямого восстановления и газификации углерода, рис. 1, имеет корпус, в котором наводится металлическая и шлаковая ванны, три графитовых электрода, три донные фурмы для подачи шихты (железорудного концентрата) и три донные фурмы для подачи порошкообразного угля. Порошкообразный уголь подается в большом количестве для осуществления реакции восстановления железа из поступающего в ДСП железорудного концентрата. Три кислородные фурмы ориентированы для подачи кислорода в объем железоуглеродистого расплава.

В ходе плавки железная руда и порошкообразный уголь подаются питателями непрерывного действия через донные фурмы. Железная руда и уголь, перемещаясь к поверхности металлической ванны, создают конвективное течение расплава. Углерод интенсивно растворяется в расплаве. Течение перемешивает расплав, что обеспечивает распределение оксидов железа и углерода по объёму металлической ванны и возможность реакции между ними. При восстановлении оксидов железа выделяется значительное количество монооксида углерода, что, совместно с воздействием струй кислорода усиливает конвективное течение и перемешивание расплава.

По мере подачи железной руды и угольного порошка уровни металлической и шлаковой ванн поднимаются. В ходе гибридного процесса положение графитовых электродов регулируют, поддерживая постоянную длину (напряжение) электрических дуг.

Конечной целью физико-математического моделирования гибридного процесса одновременного получения железа прямого восстановления и газификации углерода в ДСП является определение оптимального режима ведения данного процесса. Критериями оценки качества процесса является термодинамическое состояние материалов в ДСП, их химический состав и стабильность массового потока генерируемого в ДСП монооксида углерода.

Так как гибридный процесс протекает во времени и пространстве,

то термодинамическое состояние непрерывно изменяется вследствие выделения теплоты электрическими дугами и химическими реакциями. Химический состав также непостоянен вследствие протекающих реакций и подачи реагентов в ДСП. Физико-математическое моделирование процесса ОШБК заключается в решении системы дифференциальных уравнений энергии и массопереноса, начальные и граничные условия которых учитывают конструкцию ДСП и внешние воздействия на процесс.

Рис. 1. Устройство дуговой плавильной печи энергометаллургического комплекса:

1 - корпус печи; 2 - электроды; 3 - фурмы для подачи железной руды; 4 - фурмы для подачи угольного порошка, 5 - летка слива железа прямого восстановления, 6 - летка слива шлака, 7 - кислородная фурма

Пространство моделирования условно делится на несколько областей: угольных электродов; электрических дуг; оксида железа, угольного порошка; расплавленного шлака; расплава металла; футеровки печи.

Дуговая печь близка по форме к телу вращения, что предопределяет использование цилиндрической системы координат: радиального расстояния от оси симметрии г, угла поворота ф относительно плоскости оси электрода и расстояния от пода печи г.

Пространство моделирования разделено на области, свойства веществ и процессы в каждой из которых описываются специальными системами уравнений. Можно выделить следующие области: Е - область угольных электродов; В - область электрических дуг; Я - область расплавленного шлака; М - область расплава металла; р - область футеровки печи; О - область газовой среды. Пространство моделирования представляется как множество точек с координатами г, ф, г.

Во всех указанных областях ДСП протекает нестационарный термодинамический процесс, который описывается изменением энтальпии И? множества точек пространства во времени ?. Нестационарное линейное уравнение теплопроводности в цилиндрической системе координат г, ф, г имеет вид [1]

дИ 1 Э

\ ЭТ^ 1г— Эг

+

г

1Э

ЭТ

+

Э

ЭТ

ЭИ ЭИ

+ -------+ уф----------+

Э? г Эг

ЭИ

Эг

где Т - температура точек пространства; 1 - коэффициент теплопроводности среды, зависящий от координат расположения точки в пространстве, типа вещества и температуры в этой точке; уг , Уф, Уг - скорости движения

вещества в направлении соответствующих координат, ц- удельные значения мощности выделения и поглощения теплоты в данной точке пространства.

Начальные условия для решения уравнения теплопроводности учитывают состояние вещества в момент начала плавки. Принято, что все точки пространства в начальный момент времени имеют одинаковую температуру Т0

? = 0; Т (г, ф, г ) = То, (2)

Граничные условия описывают теплообмен печи с внешней средой. Принято, что на внешней поверхности футеровки р п О имеется теплоотдача, создающая в футеровке градиент температуры

ь

ВШТ = -—(Тр - То) , (3)

где Ь - коэффициент теплоотдачи; - коэффициент теплопроводности

футеровки.

Так как процесс моделируется не во всём объёме печи, а только в 1/6 ее части (учитывая осевую симметрию третьего порядка), то имеются две фиктивные граничные плоскости - плоскости симметрии при ф = 0 и

/А ЭТ

ф = р 6, для которых граничные условия имеют вид — = 0; а также осе-

Эф

вая линия г = 0, для которой

ЭТ

Эг

0.

Так как процесс моделируется не во всём объёме печи, то имеются две фиктивные граничные плоскости - плоскости симметрии при ф = 0 и

/А ЭТ

ф = р 6, для которых граничные условия имеют вид — = 0; а также осе-

Эф

п ** ЭТ

вая линия г = 0, для которой — = 0.

Эг

В жидком металле действует давление, возникающее вследствие подачи через донные фурмы Ре2О3, С и выделения СО, а также меньшей плотности данных веществ по сравнению с расплавом. Кроме того, струи кислорода создают давление на поверхности металлической ванны. Суммарное давление от перечисленных факторов вызывает перемещение расплава.

Течение жидкости описывается уравнением Навье-Стокса, которое в цилиндрической системе координат имеет вид [1]

Эу

Р^т^ = ^ + Л

,г _ ЭР

ГЭ 2 V

Эг

Эу,

Р

ф

Р

Эг

Эу

Эг

Эр

Эф

г

Э 2у,

2

г Э уг

--------1----------1--------

Эг2 г2Эф2 Эх2

У

'Э 2УФ

Э 2у

+

Эг

г2Эф2

г _

ЭР = — + ^

гэ V

Эг Эг

Э

Эг

2

у

2

(4)

Эг

2

г2Эф2

Эг

2

где уг , Уф, V, - составляющие скорости течения в направлении соответствующих координат; р - плотность расплава; р - давление в данной точке пространства; ^ - динамическая вязкость.

Распределение давления в расплаве определяется при решении уравнения неразрывности

р = Е

Эуф Эуг Эу,

+

гЭф Эг Эг

Лг +

р.Е

(5)

г

о

где Е - модуль упругости; pg - гравитационное давление.

Продукты химических реакций, накапливающиеся в шлаке, создают гравитационное давление, определяемое высотой столба жидкости и распределением плотности расплава р

п X

р§ = | р ^, (6) где 2^пх - уровень расплава в печи.

Плотность расплавам р, содержащего оксиды железа, С и СО, рассчитывается по концентрации данных компонентов в расплаве

р = СЕе р Ее + Сок р ок + СС р С + ССО р СО (7)

СЕе + Сок + Сс + Ссо ’

где рре, рок, рс, рсо - соответственно, плотности расплава железа, оксида железа, С и СО.

Начальные условия для решения уравнения Навье-Стокса

г = 0, Уг = 0 Уф = 0, ^ р = р§ + р; . (8)

Граничные условия. На поверхностях Е п Я и Е п М соприкосновения расплава с футеровкой и с металлошихтой X п Я и X п М принято условие прилипания

Уг = 0 ф = 0, = °. (9)

Подача материалов в области действия донных фурм учтена заданием на диаметрах dЕ, dc отверстий фурм скоростей движения расплава, равной значению

^ = АГ - (10)

^рс р

где О - массовый поток подаваемого материала, кг/с; р - плотность материала.

Наличие непрерывного потока материалов вызывает непрерывный рост объёма расплава и шлака, который рассчитывается

О

к =—г. (11)

р

Объём определяет текущее значение уровня расплава в печи

к

Н = -. (12)

5

6. Распределение концентрации элементов в шлаковой и металлической ваннах

Концентрация элементов в расплаве изменяется при плавлении компонент шихты и перехода элементов металлошихты в расплав, химического взаимодействия элементов в расплаве и перемещения продуктов

взаимодействия потоком жидкости. Изменение концентрации С /-го элемента расплава описывается уравнением переноса

ЭС

Эг

Д

ЭС

Э

гЭг

,ЭСг-

Эг

+

Э

ЭС

+ д_ ( ЭС,Л

Эг

Эг

+ V,.

ЭС

Эг

+

+ V —- + V ф г

гЭф

Эг

(13)

где Д- - коэффициент диффузии /-го элемента в жидком железе; уг , Уг, Уф

- скорости движения расплава, определяемые из решения уравнения На-вье-Стокса.

Г раничные условия уравнения переноса:

- на поверхностях соприкосновения расплава со стенками ДСП и газовой средой используется условие непроницаемости этих поверхностей для жидких компонентов расплава

ЭС

0;

ЭС

0; г,ф,ге Я п(Ои5);

(14)

Эг Эг

- для газообразных компонентов расплава на поверхности соприкосновения расплава с газовой средой Я п (О и 5) используется условие полного удаления газа из расплава

С = 0; г, ф, г е Я п О; (15)

- на выходе донных фурм Я п Е заданы потоки Ее2О3 и С

ЭС 4 О _ _

г,ф,ге ЯпЕ . (16)

Эг

рД2 р

Начальные условия: в момент начала цикла (после слива части металла и шлака) принято, что в ДСП нет непрореагировавших Ее2О3 и С

г = 0; с = 0. (17)

Предварительные результаты компьютерного моделирования

Результаты моделирования представлены текущими распределениями по объёму расплава: интенсивности объёмного тепловыделения; энтальпии и температуры; плотности расплава; гравитационного давления; скоростей движения расплава в направлении каждой из координат; концентраций каждого из веществ.

Распределение интенсивности тепловыделения определяется расположением электрических дуг и распределением концентрации веществ, вступающих в химическое взаимодействие. Распределение концентрации зависит как от расположения фурм для подачи веществ, так и распределения скоростей движения расплава. Распределение скоростей расплава определяется распределением гравитационного давления, которое зависит от распределения плотности расплава. В свою очередь, распределение плотности определяется распределениями температуры и количеством продуктов химических реакций, в первую очередь монооксида углерода, плот-

ность которого много меньше плотности расплава. Распределение энтальпии и температуры зависит как от распределения интенсивности тепловыделения, так и от распределения скоростей движения расплава [2-5].

На рис.2-4 показаны некоторые предварительные результаты расчёта параметров процесса ОМЕК

Различие давлений создаёт потоки в расплаве, рис. 2.

Рис. 2. Распределение составляющих скорости потока расплава (а - Ух; б - Уу; в - V) по ортогональным координатам в среднем

поперечном сечении ДСП

Сумма составляющих течения в направлении ортогональных координат в плоскости поперечного сечения ух + является вращательным

движением расплава, обусловленным подачей струй кислорода по касательной к поверхности расплава, рис. 2,а. Подача порошка углерода и оксида железа вызывает движение расплава в виде трёх вертикальных вихрей

Движение расплава вызывает перемещение углерода и оксида железа в объёме расплава и определяет распределение их концентрации Сс СЕеО, рис. 3.

Рис. 3. Распределение концентрации углерода Са окисида железа СРе0 и интенсивности выделения монооксида углерода ССО в среднем сечении ДСП

Концентрация углерода и оксида железа быстро убывает при удалении от подающих донных фурм. Взаимодействие этих веществ вызывает выделение монооксида углерода, которое наиболее интенсивно в областях, равноудалённых от донных фурм.

Поглощение теплоты реакцией восстановления железа углеродом компенсируется окислением углерода и теплотой, выделяемой электрическими дугами. Эти источники и стоки теплоты действуют в разных зонах расплава, что приводит к неравномерному распределению температуры, рис. 4.

Рис. 4. Распределение температуры в поперечных сечениях ДСП на поверхности расплава (а) и у дна (б)

Электрические дуги и окисление углерода нагревают приповерхностную область расплава, соответственно температура поверхностных слоёв выше, рис. 4,а. В придонные слои поступают холодные углерод и оксид железа, реакция взаимодействия между которыми поглощает тепло, что снижает температуру расплава, рис. 4,б.

Теплоперенос осуществляется исключительно потоками расплава, которые выравнивают температуру по объёму.

Выводы

1. Для анализа эффективности гибридного процесса одновременного получения жидкого железа прямого восстановления и газификации углерода в ДСП энергометаллургического комплекса непрерывного действия предложена математическая физико-химическая модель, которая разработана в виде системы уравнений теплопроводности, Навье-Стокса и массо-переноса, решение которых определяет соответственно термодинамическое состояние ДСП, скорости течения расплава и распределение концентрации шихтовых материалов в расплаве.

2. Модель позволяет определить геометрические характеристики элементов ДСП и параметры ведения гибридного процесса, обеспечивающие заданную производительность ДСП энергометаллургического комплекса по железу прямого восстановления и монооксиду углерода, предназначенного для последующей выработки электрической энергии.

Заключение

Предварительные результаты компьютерного моделирования процесса ORIEN показали, что разработанная физико-математическая модель гибридного процесса получения жидкого железа прямого восстановления и газификации углерода в ДСП энергометаллургического комплекса позволяет решить задачу оптимизации конструкции элементов ДСП и технологии ведения данного процесса.

Очевидно, что скорость химического взаимодействия железорудного концентрата с порошкообразным углем и угля с растворенным и газообразным кислородом зависит от конструктивных характеристик систем подачи данных материалов в печь, режима их работы, а также от уровня расплава, количества подаваемого в ДСП кислорода и мощности электрических дуг.

Оптимальную технологию исследуемого процесса ORIEN можно обеспечить, рационально выбирая программу подачи материалов в ДСП, конструкцию ДСП и изменение мощности электрических дуг по ходу процесса.

Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 14.В37.21.0315 «Разработка методом компьютерного моделирования принципов эффективного функционирования принципиально нового энергометаллургического процесса получения железа прямого восстановления и газификации угля для выработки товарной электрической энергии».

Список литературы

1. Тихонов А. Н., Самарский А. А. Уравнения математической физики. М.: Наука, 1972. 735 с.

2. Тихонов А. Н., Калько В. Д., Гласко В. Б. Математическое моделирование технологических процессов и метод обратных задач в машиностроении. М.: Машиностроение, 1990. 264 с.

3. Белащенко Д. К. Компьютерное моделирование жидких и аморфных веществ. М.: МИСИС, 2005. 408 с.

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

5. Modelling, Optimization and Control of an Electric Arc Furnace / Richard MacRosty. Hamilton: McMaster University, 2005. 160 p.

Арсеньева Алина Алексеевна, аспирант, Silabykv@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Ерофеев Владимир Александрович, канд. техн. наук, проф., va-erofeevamail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Дорофеев Генрих Алексеевич, канд. техн. наук, с.н.с., imsk@List.ru. Россия, Тула, ООО «НПМП Интермет-сервис»,

Протопопов Александр Анатольевич, д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой, protopopovatsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Маленко Павел Игоревич, канд. техн. наук, доц., malenkoatsu. tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

PHYSICAL-MATHEMATICAL MODELING OF A NEW ENERGY - METALLURGICAL PROCESS (ORIEN PROCESS) IN ELECTRIC ARC FURNACES

A.A.Arseneva, V.А.Erоfееv, G.A.Dorofeev, A.A.Protopopov, P.I.Malenko

The base of constructing computer model of the analysis of complex physical-chemical phenomena in the process ORIEN in continuous arc furnace (EAF) was developed. The continuous arc furnace is the main aggregate of Energy -METALLURGICAL complex. A mathematical model of physical-chemical processes in the EAF during production liquid DRI and coal gasification based on thermodynamic equation of material state was created. This model allows realize complete energy analysis of ORIEN process taking into account the arc heat emission, which based on main chemical reactions, heat-mass transfer melt and the metal vapor.

Key words: Energy - ORIEN process, physical-mathematical modeling, electric arc furnace, direct reduced iron, coal gasification.

Arseneva Alina Alekseevna, postgraduate, Silabykv@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Erofeev Vladimir Aleksandrovich, candidate of technical science, professor, va-erofeev@mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Dorofeev Genrih Alekseevich, candidate of technical science, senior staff scientist, imsk@List.ru, Russia, Tula, Company Limited “NPMP Intermet-service ”,

Protopopov Aleksandr Anatolevich, doctor of technical science, professor, manager of department, protopopovatsu. tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Malenko Pavel Igorevich, candidate of technical science, docent, malenkoatsu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State University