Научная статья на тему 'Разработка математической модели физико - химических процессов в электродуговой сталеплавильной печи энергометаллургического комплекса непрерывного действия'

Разработка математической модели физико - химических процессов в электродуговой сталеплавильной печи энергометаллургического комплекса непрерывного действия Текст научной статьи по специальности «Металлургия»

CC BY
124
25
Поделиться
Ключевые слова
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ / ФИЗИКО МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ / ТЕРМОДИНАМИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ / ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ ПЕЧЬ / ЭНЕРГОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС / ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС / ЖЕЛЕЗО ПРЯМОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ / ГАЗИФИКАЦИЯ УГЛЯ

Аннотация научной статьи по металлургии, автор научной работы — Ерофеев В. А., Дорофеев Г. А., Протопопов А. А., Захаров С. К., Маленко П. И., Протопопов Е. А., Арсеньева А. А.

Разработана математическая модель физико химических процессов при одновременном получении жидкого железа прямого восстановления и газификации угля в электродуговой сталеплавильной печи энергометаллургического комплекса непрерывного действия на базе уравнения термодинамического состояния веществ, позволяющая выполнить полный энергетический анализ процесса с учетом тепловыделения электрических дуг, основных химических реакций, а также тепломассопереноса расплава и паров металла.

Похожие темы научных работ по металлургии , автор научной работы — Ерофеев В.А., Дорофеев Г.А., Протопопов А.А., Захаров С.К., Маленко П.И., Протопопов Е.А., Арсеньева А.А.,

THE DEVELOPMENT OF MATHEMATICAL MODEL OF PHYSICAL - CHEMICAL PROCESSES IN ELECTRIC ARC STEEL FURNACE OF ENERGY METALLURGICAL COMPLEX OF CONTINUOUS ACTION

The mathematical model of physical chemical processes at simultaneous production of liquid direct reduced iron and coal gasification in electric arc steel furnace of energy metallurgical complex of continuous action on the basis of the equation of a thermodynamic condition of materials is developed. The model allows to perform a complete analysis of energy processes including the heat generation of electric arcs, the basic chemical reactions, and also heat and mass transfer of the melt and the metal vapor.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Текст научной работы на тему «Разработка математической модели физико - химических процессов в электродуговой сталеплавильной печи энергометаллургического комплекса непрерывного действия»

УДК 658.512.011; 519.711.3; 669.18

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

Г.А. Дорофеев, канд. техн. наук, с.н.с., (4872) 42-99-60, imsk@List.ru (Россия, Тула, ООО «НПМП Интермет-сервис»),

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

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

А.А. Арсеньева, асп., (4872) 33-17-85, silabykv@yandex.ru (Россия, Тула, ТулГУ)

РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ В ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ ЭНЕРГОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА НЕПРЕРЫВНОГО ДЕЙСТВИЯ

Разработана математическая модель физико-химических процессов при одновременном получении жидкого железа прямого восстановления и газификации угля в электродуговой сталеплавильной печи энергометаллургического комплекса непрерывного действия на базе уравнения термодинамического состояния веществ, позволяющая выполнить полный энергетический анализ процесса с учетом тепловыделения электрических дуг, основных химических реакций, а также тепломассопереноса расплава и паров металла.

Ключевые слова: математическая модель, физико-математическое моделирование, термодинамическая модель, электродуговая печь, энергометаллургический комплекс, тепломассоперенос, железо прямого восстановления, газификация угля.

1. Физическая модель

Основным физико-химическим процессом при получении жидкого железа прямого восстановления из железной руды в дуговой сталеплавильной печи (ДСП) энергометаллургического комплекса непрерывного действия является химическая реакция восстановления железа из его оксида углеродом, протекающая с поглощением значительного количества теплоты. Источником теплоты, поддерживающим эту реакцию, является энергия электрических дуг и теплота химической реакции окисления углерода.

В ДСП энергометаллургического комплекса протекает гибридный процесс: одновременно с получением жидкого железа прямого восстановления осуществляется газификация угля оксидами железа и кислородом, подаваемым через фурмы ДСП на поверхность расплава.

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 значительно большем количестве, чем это необходимо для осуществления реакции восстановления железа из поступающего в ДСП железорудного концентрата.

А г

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

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Процесс получения жидкого железа прямого восстановления непрерывный с циклическим выпуском расплава металла и шлака.

216

В ходе плавки железная руда и порошкообразный уголь подаются питателями непрерывного действия через донные фурмы. Так как железная руда и уголь имеют меньшую плотность, чем расплав железа, то они перемещаются к поверхности металлической ванны и 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 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.

2. Постановка задачи

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 электрической дугой и химическими реакциями. Химический состав также непостоянен вследствие протекающих реакций и подачи реагентов в ДСП. Процесс можно описать функциями распределения в пространстве печи и изменения во времени энтальпии и концентрации основных химических элементов, участвующих в процессе.

В ДСП энергометаллургического комплекса протекают явления, различные по физической сущности. Эти процессы разнесены в пространстве моделирования, которое условно делится на несколько областей: угольных электродов; электрических дуг; оксида железа (Fe2Oз), угольного порошка; расплавленного шлака; расплава металла; футеровки печи.

Общим процессом для всех областей ДСП является термодинамический - процесс изменения энтальпии, температуры и состояния вещества под действием дуговых разрядов, химических реакций и теплопереноса.

Концентрации веществ (химический состав) в металлической и шлаковой ваннах изменяются по мере плавления материалов и ходе химических реакций.

Из изложенного следует, что физико-математическое моделирование заключается в решении системы дифференциальных уравнений энергии и массопереноса, начальные и граничные условия которых учитывают конструкцию ДСП и внешние воздействия на процесс. Уравнение энергии

должно учитывать явления конвективного и кондуктивного теплообмена между электрическими дугами, металлической ванной и стенками печи. Уравнения массопереноса описывают распределение концентрации химических элементов, которые поступают в металлическую и шлаковую ванны.

3. Пространство моделирования и система координат

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 z. Учитывая осевую симметрию третьего порядка, можно ограничиться моделированием процессов только в 1/6 части объёма печи, рис. 1.

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; D - область электрических дуг; R - область расплавленного шлака; М - область расплава металла; F - область футеровки печи; G - область газовой среды.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Пространство моделирования представляется как множество точек с координатами г, ф, z. Принадлежность точки с координатами г, ф, z к области, например расплава металла М обозначается как г, ф, z е М. Поверхности раздела между областями определяются как пересечения множеств, например поверхность раздела металл М и шлак R обозначена Ы п R, а линия раздела между поверхностями как тройное пересечение множеств, например линия соприкосновения поверхности между шлаком R и расплавом М с футеровкой F печи обозначена как Ы п R п F . Такой способ описания строения пространства позволяет просто описывать изменение размеров и расположения характерных областей в печи как изменение принадлежности неподвижных точек пространства указанным множествам.

4. Модель термодинамического состояния и теплопереноса

Во всех указанных областях ДСП протекает нестационарный термодинамический процесс, который описывается изменением энтальпии Н(;) множества точек пространства во времени 1 Нестационарное линейное уравнение теплопроводности в цилиндрической системе координат г, ф, z имеет вид

дН 1 д

Л дтЛ 1 я С дтЛ я Л дтЛ дН дН

1 дТ кг

V иг у г

дг

+ — + 41 - Чs

+

2 дф

к^ дф

д

+ —

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

дz

кд-Т

, ^ У

+ -+ УФ-+

дг дф (1)

дt г дг дН дz

где Т - температура точек пространства; к - коэффициент теплопроводности среды, зависящий от координат расположения точки в пространстве,

218

т

(2)

типа вещества и температуры в этой точке; Уг , Уф, - скорости движения вещества в направлении соответствующих координат, qi, qs - удельные значения мощности выделения и поглощения теплоты в данной точке пространства.

Энтальпия и температура в этом уравнении связаны нелинейными функциями Т(Н), которые учитывают теплоёмкость и теплоты фазовых и агрегатных превращений вещества в каждой из выделенных зон пространства.

ТЕ (н) г, ф, £ е Е

ТБ (Н) г, ф, £ е Б Тх (Н) г, ф, £ е X

ТЯ (Н) г, ф, £ е Я тм (н) г, ф, £ е М

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Тр (Н) г, ф, £ е Я

Значение коэффициента теплопроводности различно в разных областях дуги и сильно зависит от температуры. Формально это описывается нелинейной функцией

X е (Т ) г, ф, г е Е

X б (Т ) г, ф, т е Б X х (Т ) г, ф, т е X

X Я (Т ) г, ф, т е Я Хм (Т ) г, ф, т е М

X р (Т ) г, ф, т е Я

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

X = 0; Т (г, ф, £ )= То, (4)

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

Х =

(3)

gгadт = (т> - то) ,

X р

(5)

где Ь - коэффициент теплоотдачи; Xр - коэффициент теплопроводности футеровки.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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

дТ п

ф = П6 , для которых граничные условия имеют вид — = 0; а также осе-

дф

вая линия г = 0, для которой — = 0.

дг

5. Движение расплава

В жидком металле (область М) действует давление, возникающее вследствие подачи через донные фурмы Fe2O3, С и выделения СО, образовавшегося при газификации угля, а также меньшей плотности данных веществ по сравнению с расплавом. Это давление вызывает перемещение расплава, рис. 2.

Рис. 2. Схема движения расплава металла, возникающего под действием гравитационного давления из-за различия плотностей жидкого железа прямого восстановления, оксида железа (III) - Fe2O3, порошкообразного угля - C, монооксида углерода - CO и расплава металла - M

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

Р

ду

г др

— = — + п

дt дг

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

д уг

+

2

д у

V

дг

г 2 дф 2

2

г + д уг

дг

2

У

ду,

Р

ф дР

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

2

д у,

дt

ду.

дф

+ п

ф

2

ду

2

ф д уф

-+-— +--

дг г дф дz V т У

(6)

2 др Р—2 = + п

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

дt дг

д2 ду

г

2

д у.

д2

г д у 2

-+-— +-2

л 2 2^±2 л 2

дг г дф дг

У

где уг, уф, у2 - составляющие скорости течения в направлении соответствующих координат; р - плотность расплава; р - давление в данной точке пространства; п - динамическая вязкость.

Распределение давления в расплаве определяется при решении уравнения неразрывности

р = Е

г

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

СГ ^ф дvr ду-Л у + —- + z

dt + pg , (7)

у

гдф дг дz 0

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

zg п X

Pg = |р &, (8)

z

где Zg п х - уровень расплава в печи.

Плотность расплавам р, содержащего Fe2O3, С и СО, рассчитывается по концентрации данных компонентов в расплаве

СГерГе + СГе2О3 РГе2О3 + ССРС + ССОРСО

Р =-^- -, (9)

СГе + СГе2О3 + СС + ССО

где рре, рреО3, РС, РСО - соответственно, плотности расплава железа, Fe2Oз, С и СО.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Начальные условия для решения уравнения Навье - Стокса

г = 0, = о, Уф = о, Vz = о, р = + р1. (10)

Граничные условия. На поверхностях Г п R и Г п Ы соприкосновения расплава с футеровкой и с металлошихтой X п R и X п Ы принято условие прилипания

vr = 0, Vф = 0, Vz = 0. (11)

На поверхности соприкосновения расплава с газовой средой G п Я и G п Ы и областью дуги D п R и D п Ы принята свободная граница для движения расплава

^ = 0, ^ = 0, ^ = 0 (12)

дz дz дz

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

^ (13)

Л^гс р

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

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

а

V = -t. (14)

Р

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Объём определяет текущее значение уровня расплава в печи

V

н = -. (15)

5

6. Удельные мощности выделения и поглощения теплоты

В разных областях пространства моделирования протекают разные физические процессы, вызывающие выделение и поглощение теплоты. Основным источником теплоты является электрическая дуга. Подача холодных материалов (железорудного концентрата и угольного порошка) рассматривается как сток теплоты.

Большое значение имеет теплота химических реакций, главной из которых является эндотермическая реакция восстановления железа углеродом из оксида железа (III).

Электрическая дуга. Особенностью электрических дуг в металлургических печах является их относительная небольшая длина по отношению к диаметрам электродов и факела дуги. Поэтому допустимо считать, что вся мощность дуги равномерно выделяется в круге, радиус которого больше радиуса электродов Re на длину дуги:

Яе = , ^ \ (16)

и С

п

Re + ^

V

gradU

где ие, 1е - ток и напряжение дуги; gradU - градиент потенциала в столбе дуги, равный 3 В/мм для дуги, горящей в парах металла.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Теплота окисления углерода. В печь подаётся ограниченное количество кислорода, который окисляет избыточный углерод на поверхности шлака.

Допускается, что весь кислород, подаваемый через фурмы, равномерно распределяется по поверхности RnG и полностью расходуется на окисление углерода. Это позволяет определить мощность удельного тепловыделения по потоку кислорода QO2.

Ясо = Я^Т2- (17)

5д па

где q = 12,25 МДж/м3 - теплота реакции окисления углерода.

Расход теплоты на нагревание поступающих материалов учитывается автоматически при решении уравнения теплопроводности скоростными слагаемыми теплопереноса и граничными условиями уравнения Навье - Стокса, которые задают скорость движения материала через донные фурмы.

Интенсивность тепловыделения химических реакций. Основным стоком теплоты являются реакции восстановления железа из оксида

222

Q,

(17)

углеродом с выделением монооксида углерода. Реакция идёт в объёме металлической М ванны. Интенсивность реакции определяется концентрациями Fe2O3 и С в рассматриваемой точке металлической ванны.

Длительность химической реакции мала по сравнению с общим временем плавки. Поэтому допустимо считать, что интенсивность поглощения теплоты определяется концентрацией элементов в расплаве. Удельная мощность поглощения теплоты химической реакции определяется как

. г dm^ dm2 qk = тт -,-

V dt dt

где т - распределение концентрации реагента, кг/м3; Q - энергия химической реакции, Дж/кг.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

7. 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; ьго элемента расплава описывается уравнением переноса

д

С дt

д

гдг

,дС1

дг

+

АдС,Л

г 2 дф

дф

+

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

д_ дг

дС

дг

дс1

дг

+

дС

дС

(18)

гдф дг

где Ц - коэффициент диффузии ьго элемента в жидком железе; уг, у2 , уф

- скорости движения расплава, определяемые из решения уравнения Навье

- Стокса.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Граничные условия уравнения переноса:

- на поверхностях соприкосновения расплава со стенками ДСП и газовой средой К п (О и £) используется условие непроницаемости этих по-

верхностей для жидких компонентов расплава

дс

0;

дс

0; г, ф, г е К п(О и £);

(19)

дг дг

- для газообразных компонентов расплава на поверхности соприкосновения расплава с газовой средой К п(О и £) используется условие

полного удаления газа из расплава

С = 0; г, ф, г е К п О ; - на выходе донных фурм К п Я заданы потоки Fe2O3 и С

дС дt

у

4 О кО2 Р

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

г, ф, г е К п Я .

(20)

(21)

Начальные условия: в момент начала цикла (после слива части металла и шлака, когда подача материалов в ДСП прекращается) принято,

что в ДСП нет непрореагировавших Fe2O3 и С

t = 0; С = 0. (22)

8. Алгоритм численного моделирования

Система уравнений теплопереноса, движения расплава и распределения концентрации представляет собой самосогласованную физико-математическую модель процесса получения жидкого железа прямого восстановления в ДСП. Исходными данными являются:

- размеры ДСП и элементов ее конструкции;

- термодинамические и физико-химические свойства материалов;

- параметры ведения гибридного процесса.

В ходе моделирования определяются текущие распределения по объёму расплава интенсивности тепловыделения, энтальпии и температуры, скоростей движения расплава и концентрации 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, плотность которого много меньше плотности расплава. Распределение энтальпии и температуры зависит как от распределения интенсивности тепловыделения, так и от распределения скоростей движения расплава.

Укрупнённый алгоритм численного моделирования представлен на

рис. 3.

Ввод исходных данных: - размеров печи н элементов её конструкции; - параметров ведения процесса выплавки.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Определение состояния печи на момент начала цикла плавки: распределения энтальпии Н(г,<$,г) и температур Т(г,<р,г), концентрации веществ С(г,(р,г).

Цикл в ременн плавки t = t + dt

Расчёт интенсивности химический реакций и определение р аспределения концешр ации в еществ С (г, ср? z).

Определение распределения плотности расплава p(r,cp,z) и гравитационного давления p(r,ip,z).

Решение уравнения Навье ■ Стокеа и определение распределения скоростей движения расплава vr (rf(p,z),v<p(r, ср,z), vz (r,(p,z).

Расчёт распределения интенсивности тепловыделения в объёме расплава q(r, cp,z).

Решение уравнения теплопроводности и определение распределения энтальпии Н(г,ц>,г) и температуры T(r,<p,z).

Определение текущего значения Z(t) уровня расплава в печи.

Расчёт текущего значения интегральных характеристик показателей процесса плавки

Вывод текущих результатов моделирования С(г,ср,г), vr(r,q>,z), tp,z), vz (r,(p,z), Г(г,<р,г).

пока уровень расплава не достигнет заданного уровня 2(г) <

Расчёт интегральных показателей цикла плавки.

Вывод интегральных показателей плавки.

Рис. 3. Алгоритм численного моделирования гибридного процесса получения жидкого железа прямого восстановления и газификации

углерода в ДСП

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

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.

Разработанная физико-математическая модель гибридного процесса получения жидкого железа прямого восстановления и газификации углерода в дуговой сталеплавильной электропечи энергометаллургического комплекса позволяет решить задачу оптимизации конструкции элементов ДСП и технологии ведения данного процесса. Очевидно, что скорость химического взаимодействия железорудного концентрата с порошкообразным углем зависит от конструктивных характеристик систем подачи данных материалов в печь и режима их работы, а также от уровня расплава, количества подаваемого в ДСП кислорода и мощности электрических дуг.

Оптимальную технологию исследуемого гибридного процесса одновременного получения жидкого железа прямого восстановления и газификации углерода в ДСП энергометаллургического комплекса можно обеспечить рационально выбирая программу подачи материалов в ДСП и изменения мощности электрических дуг по ходу процесса.

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 мас-сопереноса, 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.

Список литературы

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

2. Тихонов А.Н. Математическое моделирование технологических процессов и метод обратных задач в машиностроении /А.Н. Тихонов,

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

В.Д. Калько, В.Б. Гласко. М.: Машиностроение, 1990. 264 с.

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

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

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

G.A. Dorofeev, V.A. Erofeev, A.A. Protopopov, S.K. Zakcharov, P.I. Malenko, E.A. Protopopov, A.A. Arsenyeva

THE DEVELOPMENT OF MATHEMATICAL MODEL OF PHYSICAL-CHEMICAL PROCESSES IN ELECTRIC ARC STEEL FURNACE OF ENERGY METALLURGICAL COMPLEX OF CONTINUOUS ACTION

The mathematical model of physical-chemical processes at simultaneous production of liquid direct-reduced iron and coal gasification in electric arc steel furnace of energy metallurgical complex of continuous action on the basis of the equation of a thermodynamic condition of materials is developed. The model allows to perform a complete analysis of energy processes including the heat generation of electric arcs, the basic chemical reactions, and also heat-and-mass transfer of the melt and the metal vapor.

Key words: mathematical model, physico-mathematical simulation, thermodynamic model, arc furnace, energy metallurgical complex, heat-and-mass transfer, direct-reduced iron, coal gasification.

Получено 24.08.12

УДК 621.643:620.22

А.В. Маляров, асп., инженер, (4872) 35-05-81, fmm@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

И.В. Тихонова, канд. техн. наук, доц., (4872) 35-05-81, fmm@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ),

А.Е. Гвоздев, д-р техн. наук, проф., (4872) 35-05-81, fmm@tsu.tula.ru (Россия, Тула, ТулГУ)

ВЛИЯНИЕ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ЗОНЫ НА ПРОЦЕСС ГРАФИТИЗАЦИИ СТАЛИ МАРКИ 09Г2С

Представлены результаты по влиянию пластической зоны на процесс графи-тизации и на места выделения графитных включений в стали марки 09Г2С.

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Ключевые слова: термоциклическая обработка, графитизация, плотность, объемная доля.

Взаимные превращения фаз веществ представляют собой одно из интереснейших физических явлений, поскольку при фазовых превращениях проявляются наиболее существенные особенности строения вещества

226