Научная статья на тему 'Разработка основ метода анализа сложных физико-химических явлений процесса orien в электродуговой сталеплавильной печи энергометаллургического комплекса'

Разработка основ метода анализа сложных физико-химических явлений процесса orien в электродуговой сталеплавильной печи энергометаллургического комплекса Текст научной статьи по специальности «Металлургия»

CC BY
138
46
Поделиться
Ключевые слова
ЭНЕРГОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС / ПРОЦЕСС ORIEN / КОМПЬЮТЕРНАЯ МОДЕЛЬ / ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ / ЭЛЕКТРОДУГОВАЯ СТАЛЕПЛАВИЛЬНАЯ ПЕЧЬ / ТЕПЛОМАССОПЕРЕНОС / ЖЕЛЕЗО ПРЯМОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ / ГАЗИФИКАЦИЯ УГЛЯ

Аннотация научной статьи по металлургии, автор научной работы — Дорофеев Генрих Алексеевич, Ерофеев Владимир Александрович, Протопопов Александр Анатольевич, Леонтьев Леопольд Игоревич, Дашевский Вениамин Яковлевич, Маленко Павел Игоревич

Разработаны основы построения компьютерной модели для анализа сложных физико-химических явлений процесса ORIEN 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 ORIENс учетом тепловыделения электрических дуг, основных химических реакций, а также тепломас-сопереноса расплава и паров металла.

Похожие темы научных работ по металлургии , автор научной работы — Дорофеев Генрих Алексеевич, Ерофеев Владимир Александрович, Протопопов Александр Анатольевич, Леонтьев Леопольд Игоревич, Дашевский Вениамин Яковлевич, Маленко Павел Игоревич,

DEVELOPMENT OF ANALYSIS METHOD FOR PHYSICAL-CHEMICAL PHENOMENA OF ORIEN PROCESS IN ELECTRIC ARC FURNACES IN ENERGYMETALLURGICAL COMPLEX

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.

Текст научной работы на тему «Разработка основ метода анализа сложных физико-химических явлений процесса orien в электродуговой сталеплавильной печи энергометаллургического комплекса»

ТЕОРИИ И ТЕХНОЛОГИИ В МЕТАЛЛУРГИИ И МЕТАЛЛООБРАБОТКЕ

УДК 658.512.011; 519.711.3; 669.18

РАЗРАБОТКА ОСНОВ МЕТОДА АНАЛИЗА СЛОЖНЫХ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ ПРОЦЕССА ORIEN В ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ ЭНЕРГОМЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА

Г. А. Дорофеев, В. А. Ерофеев, А. А. Протопопов, Л.И. Леонтьев,

В.Я. Дашевский, П.И. Маленко

Разработаны основы построения компьютерной модели для анализа сложных физико-химических явлений процесса ORIEN 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 ORIEN с учетом тепловыделения электрических дуг, основных химических реакций, а также тепломас-сопереноса расплава и паров металла.

Ключевые слова: энергометаллургический комплекс, процесс ORIEN, компьютерная модель, физико-математическое моделирование, электродуговая сталеплавильная печь, тепломассоперенос, железо прямого восстановления, газификация угля.

Процесс ORIEN 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 ORIEN 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 ORIEN 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. Переход оксидов из твердого в расплавленное состояние обусловливает жидкофазный характер восстановления железа в объеме железоуглеродного расплава. Удельная скорость восстановления при этом оценивается значениями более 5 кг/(м3с), 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 о реагирующего с расплавленными оксидами железа, поступающими в ДСП из железной руды, и жидкими оксидами железа, образующимися при подаче газообразного кислорода внутрь объема железоуглеродного расплава.

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

Процесс ORIEN 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 ORIEN и неприменимость теории подобия к разномасштабным металлургическим агрегатам, единственным методом исследования, обеспечивающим наработку требуемого объема информации для проектирования реализующей процесс ORIEN пилотной установки (3-х тонная ДСП, обеспечивающая работу когенераторов суммарной мощностью 6 МВт) является метод компьютерного моделирования.

Физическая модель. 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. Три кислородные фурмы ориентированы для подачи кислорода в объем железоуглеродистого расплава.

Процесс получения жидкого железа прямого восстановления (в виде железо-углеродистого расплава) непрерывный с циклическим выпуском расплава металла и шлака.

В ходе плавки железная руда и порошкообразный уголь подаются питателями непрерывного действия через донные фурмы. Так как желез-

ная 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, совместно с воздействием струй кислорода усиливает конвективное течение и перемешивание расплава.

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

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.

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 электрическими дугами 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, 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 процесса ORIEN 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 кондук-тивного теплообмена между электрическими дугами, металлической ванной и стенками печи. Уравнения массопереноса должно описывать распределение концентрации химических элементов, которые поступают в металлическую и шлаковую ванны.

Пространство моделирования и система координат. Дуговая печь близка по форме к телу вращения, что предопределяет использование цилиндрической системы координат: радиального расстояния от оси симметрии r, угла поворота j относительно плоскости оси электрода и расстояния от пода печи z. Учитывая осевую симметрию третьего порядка,

6

можно ограничиться моделированием процессов только в 1/6 части объёма печи.

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; Г - область футеровки печи; О - область газовой среды.

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

Модель термодинамического состояния и теплопереноса.

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

ЭИ 1 Э

\ ЭТЛ 1г— Эг

+

г

ґ

Э

+ —

ЭТ

1——

ЭИ ЭИ

+ Уг ——+ —+

2 Эф ^ Эф) ді ^ ді) г Эг ф Эф (1)

Э? г Эг

ЭИ

Э1

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, - скорости движения

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

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

Т

(2)

TE (H) г , ф, г е E

Т^ (Н) г, ф, г е В Тх (Н) г, ф, г е X

Тя (Н) г, ф, г е Я Тм (Н) г, ф, г е М

Тр (Н) г, ф, г е р

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

1Е (Т) г, ф, г е Е

1В (Т) г, ф, г е В 1X (т ) г, ф, г е X

1Я (Т) г, ф, г е Я 1М (Т) г, ф, г е М

1 р (Т) г, ф, г е р

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. (4)

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

1 =

(3)

Ь

gгadT = -—(Т> - Т0): 1 р

(5)

где Ь - коэффициент теплоотдачи; 1 р - коэффициент теплопроводности футеровки.

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

/А ЭТ

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

Эф

п ** ЭТ

вая линия г = 0, для которой — = 0 .

Эг

Движение расплава. В жидком металле (область М) действует давление, возникающее вследствие подачи через донные фурмы ре2О3, С и выделения СО, образовавшегося при газификации угля, а также меньшей плотности данных веществ по сравнению с расплавом. Кроме того, струи кислорода создают давление на поверхности металлической ванны. Сум-

марное давление от перечисленных факторов 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 - ¥е2О3, порошкообразного угля - С, монооксида углерода - СО и расплава

металла - М

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

Р

ду

г др

ді дг '

Гд 2 д V,

+

л2

д V

V

ду,

Р

ф

Р

ді

ду.

др = — + л дф

дг 2 ' д2 V

г2дФ2

д2 г + д уг

дz

2

+

дг

г2дФ2

д2 ф + д уф

дz

2

(6)

У

др = — + л ді д. '

'а V

Э 2у

дг

2

г 2дф 2

д2 г + д

2

где уг, Уф, V2 - составляющие скорости течения в направлении соответствующих координат; р - плотность расплава; р - давление в данной точке пространства; л - динамическая вязкость.

Распределение давления в расплаве определяется при решении уравнения неразрывности

с Ґ

р = Е

Эуф

гдф

дуг ду2

+ —- + —2 дг д.

(7)

где Е - модуль упругости; р^ - гравитационное давление.

Продукты химических реакций, накапливающиеся в шлаке, создают гравитационное давление, определяемое высотой столба жидкости и рас-

0

пределением плотности расплава р

zg п X

р§ = | р ^, (8)

где пх - уровень расплава в печи.

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

р = СРерРе + Сокрок + ССрС + ССОрСО (9)

Сре + СоК + Сс + Ссо ’

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

Начальные условия для решения уравнения Навье-Стокса

? = 0, уг = 0, Уф = 0, = 0, р = pg + р1. (10)

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

Уг = 0, Уф = 0, Уг = 0. (11)

На поверхности соприкосновения расплава с газовой средой

О п Я и О п М и областью дуги В п Я и В п М принята свободная гра-

ница для движения расплава, учитывающая составляющую от давления струй кислорода

Цг = ХО,г(г, ф), ^ф = XO,ф(r, ф), = °. (12)

dz dz т dz

Подача материалов в области действия донных фурм учтена заданием на диаметрах , ас отверстий фурм скоростей движения расплава,

равной значению

4 О ^

=----2----» (13)

Р^^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

V = -г. (14)

р

Объём определяет текущее значение уровня расплава в печи

V

Н = -. (15)

5

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 и реакция газификации угля. Подача холодных материалов (железорудного концентрата и угольного порошка) рассматривается как сток теплоты.

Большое значение имеет теплота эндотермических химических реакций, главной из которых является реакция восстановления железа углеродом из оксида железа.

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 несколько превышает радиус электрода Яе:

ие1е

Че =—----------, (16)

е^ е

е

Яе +

V §гс

где ие, 1е - ток и напряжение дуги; gradU - градиент потенциала в столбе дуги, горящей в парах металла.

Теплота окисления углерода и железа. В печь подаётся ограниченное количество кислорода, который окисляет избыточный углерод и железо в объеме и подповерхностной зоне металлической ванны.

Допускается, что весь кислород, подаваемый через фурмы, распределяется по поверхности Я п О и полностью расходуется на окисление углерода и железа. Образующийся монооксид углерода удаляется из расплава, а оксид железа потоками расплава распространяется по его объёму и участвует в реакции восстановления железа углеродом.

Мощность удельного тепловыделения по потоку кислорода Qol .

чсо = ч5rO^, (17)

5ЯпО

где ч = чс + Чре; Чс , Чре - теплота реакции окисления, соответственно, углерода и железа.

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.

Расход теплоты, уносимой отходящими газами, определяется их количеством и энтальпией при температуре поверхности расплава.

Потери теплоты через футеровку учитываются при решении уравнения теплопроводности, граничные условия которого учитывают теплоотдачу с наружной поверхности ДСП.

Интенсивность эндотермических химических реакций. Основным стоком теплоты являются реакции восстановления железа из оксида углеродом с выделением монооксида углерода. Реакция идёт в объёме металлической M ванны. Интенсивность реакции определяется концентрациями оксида железа и углерода в рассматриваемой точке металлической ванны.

При реализации процесса ORIEN допустимо считать, что интенсивность поглощения теплоты определяется концентрацией элементов в расплаве. Удельная мощность поглощения теплоты химической реакции определяется как

^dm¡ dm'

qk = min

l2

Q,

(17)

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

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 эле-

мента расплава описывается уравнением переноса

— = D dt 1

Э

гЭг

ЭС1

Эг

Э

r 2Эф

ЭС

Эф

Э

+-----

Эz

эс

Эz

ЭС1

Эг

+ v„

ЭС1

+ v.

ЭС1

(18)

ф гЭф 2 Эг

где Б/ - коэффициент диффузии /-го элемента в жидком железе; уг , ,

Уф - скорости движения расплава, определяемые из решения уравнения

Навье-Стокса.

Граничные условия уравнения переноса:

- на поверхностях соприкосновения расплава со стенками ДСП и газовой средой Я п (О и 5) используется условие непроницаемости этих поверхностей для жидких компонентов расплава

ЭС = 0; ЭС = 0; Г, ф, г е Я п(О и 5); (19)

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; (20)

- на выходе донных фурм R n F заданы потоки Fe2Ü3 и С

дС 4 G п ^

— = vz =-----; r,j,z е R n F . (21)

dt pD2 P

Начальные условия: в момент начала цикла (после слива части металла и шлака) принято, что в ДСП нет непрореагировавших Fe2Ü3 и С

t = 0; С = 0. (22)

Алгоритм численного моделирования. Система уравнений тепло-переноса, 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 [2-5].

Укрупнённый алгоритм численного моделирования представлен на

рис. 3.

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.

На рис. 4-7 показаны некоторые предварительные результаты расчёта параметров процесса ORIEN.

Распределение давления на поверхности расплава (рис. 4, а), определяется расположением фурм для подачи кислорода. В донной зоне (рис.

4, б) основным источником давления являются потоки порошка углерода и оксида железа.

Различие давлений создаёт потоки в расплаве (рис. 5).

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

Определение состояния печн на момент начала цикла плавки: распределения энтальпии Н(г,ср,г) и температур Т(г,ф,г), концентрации веществ С(г, ф,г).

Цикл в неменн плавки í = f + с№

Расчёт интенсивности химический реакций н определение распределения концентрации веществ С(г,

Определение распределения плотности расплава р(г,ф,г) и гравитационно го давления р(г, ф,г).

Решение уравнения Навье - Стокса и определение распределения скоростей движения расплава уг (г,<р,г), v(p(r> ф,г), (г,<р,г).

Расчёт распределения интенсивности тепловыделения в объёме расплава д(г,ф,г).

Решение уравнения теплопроводности и определение распределения энтальпии Н(г, ф,г) и температуры Т(г,<р,г).

Определение текущего значения уровня расплава в печн.

Расчёт текущего значеьшя интегральных характеристик показателей процесса плавки

Вывод текущих результатов моделирования С(г,<р,г), V, (г,ф,г), уф(г, ф,г), Уг(г,ф,г), Т(г,ф,г).

пока уровень расплава не достигнет заданного уровня .

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

Рис. 4. Распределение давления в расплаве в поверхностных (а) и придонных (б) слоях расплава

Рис. 5. 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 + Уу является вращательным

движением расплава, обусловленным подачей струй кислорода по касательной к поверхности расплава (рис. 5, 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. 6).

Рис. 6. Распределение концентрации углерода СС, 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. 7).

Рис. 7. 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. 7, а). В придонные слои поступают холодные углерод и оксид железа, реакция взаимодействия между которыми поглощает тепло, что снижает температуру расплава (рис. 7, 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.

16

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.

Работа представлена на второй Международной Интернет-конференции по металлургии и металлообработке, проведенной в ТулГУ

1 мая - 30 июня 2013 г.

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

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

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

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

Леонтьев Леопольд Игоревич, д-р техн. наук, проф., академик РАН, leo@,presidium. ras. ru, Россия, Москва, Президиум РАН,

Дашевский Вениамин Яковлевич, д-р техн. наук, проф., действительный член РАЕН, vdashev@imet. ac. ru, Россия, Москва, Институт металлургии и материаловедения им. А. А. Байкова РАН,

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

DEVELOPMENT OF ANALYSIS METHOD FOR PHYSICAL-CHEMICAL PHENOMENA OF ORIEN PROCESS IN ELECTRIC ARC FURNACES IN ENERGY - METALLURGICAL COMPLEX

G.A. Dorofeev, V.А. Erоfееv, A.A. Protopopov, L.I. Leontiev,

V.Y. Dashevskii, 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 - metallurgical complex, ORIEN process, computer model, physical-mathematical modeling, electric arc furnace, heat-mass transfer, direct reduced iron, coal gasification.

Dorofeev Henry Alekseevich, candidate of technical science, docent, imsk@list.ru Russia, Tula, LLC “NPMP Intermet-Service

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

Protopopov Alexander Anatolyevich, doctor of technical science, professor, manager of department, protopopov@tsu. tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Leontief Leopold Igorevich, doctor of technical sciences, professor, RAS academician, leo@,presidium. ras. ru, Russia, Moscow, Presidium of RAS,

Dashevskii Veniamin Yakovlevich, doctor of technical sciences, professor, member of the Academy of Natural Sciences, vdashev@imet. ac.ru, Russia, Moscow, Institute of metallurgy and materials science of the name of A.A. Baikov RAS,

Malenko Pavel Igorevich, candidate of technical science, docent,

malenko@tsu. tula. ru, Russia, Tula, Tula State University