CC BY
57
Жидкофазные процессы прямого получения чугуна и стали
Каскин К.К.
engineering», bulletin № 58. Moscow, 1968.
11. Tulin N.A., Kudryavtsev V.S., Verner D., Lessel V., Muller B. and others. Development of metallurgy without application of coke. Moscow: Metallurgy, 1987.
12. «Boliden Inred» process for smelting reduction of finely divided iron oxides and concentrates. Metallurgy abstract journal. 1980, no. 2, 2B163.
13. Elwander G., Omberg G. Production of pig iron in the way of Inred Iron. Ferrous Metals. 1984, no. 17, pp. 42-45.
14. Elwander H.I., Edenwall I.A., Hellstam C.I. Boliden Inred process for smelting reduction of fine-grainted iron oxides and concentrates. Ironmak-ing and Steelmaking. 1979, no. 5, pp. 235-244.
15. Kadarmetov A.H., Kaskin K.K., Uchaev A.N. Continuous process for production of semiproducts with using metallized pellets in the charge. Continuous metallurgical processes:ore, scrap, metal rolling: abstracts of All-Union Scientific and Technical Conference. Sverdlovsk, 1989.
УДК 62-405.6:669.1 Бушуев А.Н., Гюнтер Д.А.
ЗАВИСИМОСТЬ ИЗМЕНЕНИЯ ПОРОЗНОСТИ МЕТАЛЛОШИХТЫ ПО ВЫСОТЕ ЗАГРУЗОЧНОЙ БАДЬИ В ЭЛЕКТРОСТАЛЕПЛАВИЛЬНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ
Аннотация. Выполнены серии модельных экспериментов с целью изучения зависимости изменения порозности засыпки металлошихты по высоте загрузочной бадьи (корзины) электросталеплавильного производства. Поставленные эксперименты охватывают четыре варианта засыпки кускового лома в корзину, свойственные основным режимам работы дуговой печи: без добавки и с добавкой жидкого чугуна в технологический процесс выплавки стали. На основании полученных данных установлены функциональные зависимости изменения порозности металлошихты по высоте загрузочной бадьи для каждого из рассматриваемых вариантов засыпки.
Ключевые слова: аппроксимация данных, электросталеплавильное производство, металлошихта, порозность, реальная засыпка, модельная засыпка.
В черной металлургии широко применяются дуговые сталеплавильные печи, в которых переплавляемый кусковой металлолом в большинстве случаев подвергается предварительному подогреву газами перед загрузкой в печь. Кусковой характер такой металлошихты определяет особенности гидродинамических и теплообменных процессов в слое [1,2]. Между кусками остаются пустоты, по которым проходят газы, обеспечивающие протекание необходимых тепловых и технологических процессов. Поэтому газопроницаемость шихты, а непосредственно и порозность ее засыпки в бадье и печи, определяемая объемом пустот в слое, является одной из важнейших характеристик слоя кусковых материалов. Порозность представляет собой отношение суммарного объема пустот в слое засыпки к общему объему засыпки [1]:
где УП - суммарный объем пустот в общем объеме слоя У0.
Актуальность владения характером изменения порозности засыпки кускового лома в бадье определяется следующими моментами [2]:
1) представление порозности посредством функции может позволить более подробно оценить аэродинамическое сопротивление, оказываемое слоем разнородной засыпки при продувании его нагретым газом;
2) порозность в тепловой задачи определяет кажущуюся теплопроводность плотного слоя, коэффициенты теплопередачи и теплоотдачи;
3) рассмотрение порозности через функциональную зависимость от высоты бадьи может позволить учесть изменение температурного поля внутри ме-
таллошихты при тепловом расчете теплообмена.
Авторами были поставлены четыре независимые серии экспериментов, задача которых заключалась в получении экспериментальной зависимости изменения порозности слоя засыпки металлошихты в бадье цилиндрического сечения.
Для решения поставленной задачи авторами был произведен подбор экспериментального материала, представляющего собой мелкие обрезки металла различных форм (стальных труб и профилей малого размера, листовой стали, колец и шаров подшипников и т.п.), моделирующего реальную засыпку металлошихты с достаточно высокой точностью. Также была подобрана прозрачная цилиндрическая емкость, высота которой позволяла производить засыпку модельной шихты до отметки, находящейся с диаметром емкости в соотношении hfd = 1,13. В качестве экспериментальной среды в проводимых опытах использовалась вода с незначительным добавлением красителей, облегчающих наблюдение за уровнем жидкости.
Подбор экспериментального материала и емкости, имитирующих кусковой лом и загрузочную бадью, осуществлялся на основе технологических инструкций «Организация приемки и подготовки металлошихты для загрузки в дуговую печь» в ОАО «Уральская сталь» (г. Новотроицк). Согласно инструкциям максимальная масса отдельных кусков металлошихты не должна превышать 1 т, максимальный размер - не более 800x500x500 мм, а максимальный размер листовой обрези - не более 1200 мм [3].
Максимально допустимые размеры отдельных кусков модельной засыпки рассчитывались через коэффициент подобия к, определяемый соотношением геометрических размеров модельной и реальной бадьи следующим образом:
1 = Ш * H
где D, d - диаметры реальной бадьи и модельной емкости; H, h - высота слоя засыпки в бадье и в модельной емкости соответственно.
Объем засыпаемых кусков V" при моделировании определялся как V = V • k , где VKP - объем реального моделируемого куска лома.
При пересчете через данный коэффициент получаем, что сторона реального куска лома 800 мм соответствует размеру 22 мм в модели, сторона листовой обрези 1200 мм соответствует 33 мм.
Согласно инструкциям по подготовке металло-шихты к выплавке в ДСП при шихтовке плавок по варианту использования 100% твердой шихты без жидкого чугуна загрузка металлошихты осуществляется двумя загрузочными бадьями. Для ДСП-120 масса металлошихты составляет от 135 до 140 т, в т.ч. чушкового чугуна - от 28 до 32 т [3-5].
Загрузка первой завалочной бадьи (завалки):
- легковесный лом (2А, 3 А, ШЭ) - от 20 до 30 т;
- известь (известняк) на «подушку» из легковесного лома 3А, ШЭ, масса в завалку должна составлять от 2,0 до 4,0 т;
- кокс или коксовая мелочь от 0,5 до 1,0 т (при необходимости загружается в саму печь через свод перед подвалкой);
- обрезь листопрокатных цехов (или тяжеловесный лом) от 10 до 15 т;
- чугун чушковый от 14 до 16 т;
- тяжеловесный лом (обрезь ОБЦ, СПЦ) от 8 до 12 т;
- легковесный лом (2А, 3А, ШЭ) от 20 до 25 т.
Первая серия экспериментов направлена на исследование зависимости изменения порозности металлошихты по высоте бадьи при данном варианте засыпки при замене обрези листопрокатных цехов на тяжеловесный лом.
В целях достижения совпадения зеркала засыпки металла с верхней допустимой отметкой модельной емкости, при моделировании 63,5 г модельной засыпки соответствуют 1 т реального лома. Массовая доля кусков в модельной засыпке и их предельные геометрические размеры приведены в табл. 1 и 2 соответственно.
В целях удобства применения результатов математической обработки экспериментальных данных аппроксимация производится под безразмерную величину х, представляющую собой долю от полезной высоты реальной исследуемой бадьи. Аппроксимация может быть осуществлена посредством следующих функций [6-8]:
1) полиноминальной функцией четвертой степени вида
f (х) = 0,40927 + 5,7328 • х - 23,9782 • х2 +
2) экспоненциальной функцией вида f (х) = 0,8 - 0,36 • exp
( (15х- 8,8)2 ^
Таблица 1
Массовые доли кусков модельной засыпки в первой серии экспериментов
Наименование модельных кусков Масса, г
Куски, моделирующие легковесный лом
Дугообразный профиль, в том числе гнутая дуга и дуга прямоугольного профиля 1030,6
Кольцеобразный профиль правильной и гнутой формы 916,9
Прямоугольный профиль, в том числе и гнутый 419,6
Полусфера 33,5
Иной профиль, неподлежащий описанию 319,1
Куски, моделирующие тяжеловесный лом
Цилиндрический и полуцилиндрический профиль 294,2
Дугообразный профиль 118,0
Иной профиль, неподлежащий описанию 1479,0
Куски, моделирующие чушковый чугун
Шар 502,2
Цилиндр 360,8
Таблица 2
Габаритные размеры кусков модельной засыпки в первой серии экспериментов
+33,0787 • х -14,4768 • х
.4.
Описание куска Габаритные размеры, мм Масса, г
мин макс мин макс
Куски, моделирующие легковесный лом
Дугообразный профиль 18х14х10 28 х 20 х 18 6,1 18,3
Кольцеобразный профиль 19 х10 27 х 22 х12 4,4 15,0
Произвольный профиль 17 х 17 х 8 25 х 23 х11 6,5 16,3
Куски, моделирующие тяжеловесный лом
Цилиндрический профиль 25 х10 22 х 22 х10 11,8 26,6
Дугообразный профиль 25 х 18 х 16 28,4
Иной профиль 25х19 х 7 22х16х 15 17,7 35,0
Куски, моделирующие чушковый чугун
Шар 011 013 5,6 8,4
Цилиндр 8 х10 10 х 10 3,7 6,1
Зависимость изменения порозности металлошихты.
Бушуев А.Н., ГюнтерД.А.
Графики функций приведены на рис. 1.
Рис. 1. Экспериментальные значения порозности засыпки (точки) и графики функций для первой серии экспериментов: 1 - график полинома четвертой степени; 2 - график экспоненциальной функции
Вторая серия экспериментов основа на модели того же варианта засыпки, но при наличии в составе шихты обрези листопрокатных цехов комбината. При моделировании засыпки основной состав шихты, моделирующей легковесный лом, остается прежним. Из него подвергаются полной замене следующие куски:
- куски кольцевидной формы - 179,2 г;
- куски дугообразной формы и неправильного профиля - 155,2 г.
Аппроксимация полученных экспериментальных результатов может быть осуществлена посредством следующих функций [6-8]:
1) полиноминальной функции четвертой степени вида
/ (х) = 0,1244 + 8,6194 • х - 31,6019 • х2 +
.4.
+40,484• х -16,8516• х .
2) рациональной функции вида
/ (х) = -0,097 - 0,2536 • ехр
Г( х -1,0169 )2 ^
0,2492
V у
+0,9746•ехр
Г(х - 0,7864)2 ^
0,2199
V у
Графики перечисленных функций представлены на рис. 2.
Третья серия экспериментов посвящена определению характера изменения порозности в слое засыпки металлошихты, используемой в технологическом процессе выплавки стали при применении 40% жидкого чугуна. При данном варианте шихтовки загрузка металлошихты осуществляется одной загрузочной бадьей. Общая масса твердой шихты от 80 до 90 т, в том числе легковесный лом массой от 40 до 65 т, обрезь листопрокатного цеха от 5 до 25 т, тяжеловесный лом (обрезь ОБЦ, СПЦ) от 5 до 25 т. Порядок загрузки металлошихты аналогичен предыдущему случаю.
Опытные данные были обработаны следующими функциями:
1) полиноминальной функцией четвертого порядка вида:
/ (х) = 0,7629 +1,4207 • х - 8,153 • х2 + +12,31 • х3 -5,5385 • х4;
2) дробно-рациональной функцией вида: 0,9105 - 0,40868•х
Г (х) =
1 + 0,6517 • х -1,0575 • х
2 '
Рис. 2. Экспериментальные значения порозности засыпки (точки) и графики функций: 1 - график полинома четвертой степени; 2 - график экспоненциальной функции
Характер изменения порозности для третьего эксперимента близок к первым двум случаям. Графики функций приведены на рис. 3.
0,9
0,8
н 0,7
о к
СО ^ 0,6
О.
К
0,5
0,4
0Л 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Безразмерный показатель высоты, х
Рис. 3. Экспериментальные значения порозности засыпки (точки) и графики функций третьей серии
экспериментов: 1 - график полинома четвертой степени; 2 - график рациональной функции
Четвертая серия экспериментов направлена на исследование изменения порозности засыпки металлического лома, загружаемого во вторую завалочную бадью (при подвалке) при условии выплавки стали из твердого лома.
Согласно инструкциям по подготовке металло-
шихты к выплавке в ДСП загрузка второй завалочной бадьи (подвалки) включает в себя [3]:
- легковесный металлолом (3А, ШЭ) от 35 до 45 т;
- чугун чушковый от 13 до 16 т.
Данные экспериментов четвертой серии позволяют произвести аппроксимацию следующими функциями:
1) полиноминальная функция третьего порядка вида
/(х) = 0,922 - 0,93785 • х + 2,2439 • х2 -
-2,3323 • х3;
2) дробно-рациональная функция вида 0,8914 -1,0202 • х
/ (х) = -
1 - 0,7871-х - 0,2828 • х'
Графики данных функций приведены на рис. 4.
(е) = —— | /(х)ёх.
X,
(2)
Средняя порозность, подсчитанная по формуле (2), для различных модельных зависимостей лежит в пределах от 0,6 до 0,7.
В качестве объяснения расхождения модели с реальными значениями следует отметить, что объем пустот реальной металлошихты представляет собой сумму объемов межкускового пространства и объемов внутренних пор (пустот) каждого куска лома в рассматриваемом слое засыпки (гнутые листы, прессованные брикеты, металлостружки и т.д.), поэтому с учетом определения (1):
V + V V V
/ _ п вп _ п вп
р " V "у V '
(3)
где / - реальная порозность; Уп - суммарный объем пустот между кусками лома в засыпке; Увп - суммарный объем внутренних пустот в кусках лома.
В модели внутренние пустоты в кусках металлошихты по техническим причинам не были смоделированы, поэтому в экспериментах порозность определялась как / = Vu|Vo . Тогда коэффициент порозности реальной засыпки, с учетом (3), может быть представлен в виде
V
/ = / +1™..
^ р ^ М у
(4)
Примечателен тот факт, что второе слагаемое в выражении (4) позволяет оценить объем внутренних пустот. К тому же внутренний объем пустот куска может содержать как сквозные, так и глухие «поры» по отношению прохождения через него нагретого газа, что важно при рассмотрении тепловой задачи нагрева шихты. Чтобы учесть вклад в общую порозность второго слагаемого, введем в рассмотрение поправочный коэффициент а, который позволит связать функциональные зависимости порозности реальной и модельной засыпок:
/ (х) = а • /м (х).
(5)
Рис. 4. Экспериментальные значения порозности засыпки (точки) и графики аппроксимирующих функций четвертой серии экспериментов: 1 - график полинома третьей степени; 2 - график рациональной функции
Средняя порозность реальной металлошихты электросталеплавильного производства, по данным большинства металлургических комбинатов, лежит в интервале значений / = 0,8 - 0,9. Для определения
средней порозности всей бадьи воспользуемся следующим выражением:
Поправочный коэффициент может быть определен, если к обеим частям выражения (5) применить формулу интегрального усреднения (2).
Приняв среднее значение порозности реальной засыпки, равным 0,82, получаем значения поправочных коэффициентов, приведенные в табл. 3.
Таблица 3
Поправочные коэффициенты аппроксимирующих функций
Номер серии экспериментов Аппроксимирующая зависимость Поправочный коэффициент
1 Полиноминальная функция 1,248
Экспоненциальная функция 1,217
2 Полиноминальная функция 1,260
Экспоненциальная функция 1,250
3 Полиноминальная функция 1,130
Рациональная функция 1,128
4 Полиноминальная функция 1,130
Рациональная функция 1,128
В качестве заключения следует отметить следующие основные моменты:
1) выведенные зависимости изменения порозности засыпки металлошихты по высоте бадьи применимы только при одновременном соблюдении двух условий:
- загрузка металлошихты в корзину на заводе осуществляется в том же порядке и в тех же массовых пропорциях, что и в приведенном примере (на ОАО «Уральская сталь»);
Зависимость измененияпорозностиметаллошихты...
Бушуев А.Н., ГюнтерД.А.
- исследуемая корзина имеет примерно то же соотношение между полезной высотой и диаметром, т.е. h|d = 1,12 -1,15;
2) также функциональные зависимости с допустимой погрешностью могут быть применены и для загрузочных бадей с иным соотношением , но при условии, что максимально допустимые размеры кусков модельной засыпки, рассчитанные через коэффициент подобия к исследуемой корзине, примерно равны размерам экспериментальной засыпки.
Например, если принять, что стороны Л, B, C моделируемого куска лома находятся в соотношениях 7 = В Л и ] = С Л , то объем модельного куска лома
Умк = Урк • к, где УрК - объем реального моделируемого куска, и, таким образом, стороны куска-модели равны:
а = 3 , Ь = а • 7, с = а ■ j .
V ■ j
Таким образом, величина а при расчетах к иной бадье должна также составить 22 мм для легковесного
лома и 33 мм для листовой обрези. Коэффициент к рассчитывается в таком случае следующим образом:
k =
0,1325 D
где D - диаметр иной исследуемой бадьи.
Список литературы
1. Китаев Б.И., Ярошенко Д.Г., Сучков В.Д. Теплообмен в шахтных печах. М.: Металлургиздат, 1957. 279 с.
2. Тепло- и массообмен в плотном слое / Китаев Б.И., Тимофеев В.Н., Боковиков Б.А. и др. М.: Металлургия, 1972. 432 с.
3. Организация приемки и подготовки металлошихты для загрузки в дуговую электропечь: ТИ-13657842-СТ.ЭС-15-2012. Новотроицк, 2012. 6 с.
4. Братковский Е.В., Заводяный A.B. Электрометаллургия стали и спецэлектрометаллургия: учеб. пособие. Новотроицк: НФ МИСиС, 2008. 115 с.
5. Проектирование и оборудование электросталеплавильных и ферросплавных цехов: учебник / Гладких В.А., Гасик М.И., Овчарук А.Н. и др. Днепропетровск: Системные технологии, 2009. 736 с.
6. Гутер P.C., Овчинский Б.В. Элементы численного анализа и математической обработки результатов опыта. Ч. 1. Изд. 2-е. М.: Наука, 1970. 432 с.
7. Румшинский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. М.: Наука, 1971. 192 с.
8. Алексеев Е.Р., Чеснокова О.В. Решение задач вычислительной математики в пакетах Mathcad 12, MATLAB 7, Maple 9. М.: НТ Пресс, 2006. 496 с.
Сведения об авторах
Бушуев Антон Николаевич - преподаватель кафедры теплоэнергетики и теплотехники Орского гуманитарно-технологического института (филиала) ВПО «Оренбургский государственный университет», Россия. Тел.: 8(3537)23-81-98. E-mail: nielsen1@mail.ru.
Гюнтер Дмитрий Александрович - канд. физ.-мат. наук, зав. кафедрой теплоэнергетики и теплотехники Орского гуманитарно-технологического института (филиала) ВПО «Оренбургский государственный университет», Россия. Тел.: 8(3537)23-81-98. E-mail: guenter@orsksamgups.ru.
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
THE DEPENDENCE OF METAL FURNACE CHARGE POROSITY CHANGING ON THE CHARGING BUCKET HEIGHT IN ELECTRIC FURNACE STEELMAKING
Bushuyev Anton Nikolaevich - Assistant Professor, Orsk humanitarian Institute of Technology (branch) of HE «Orenburg State University», Russia. Phone: 8(3537)23-81-98. E-mail: nielsen1@mail.ru.
Gunter Dmitry Aleksandrovich - Ph.D. (Phys.-Math.), Orsk Humanitarian Institute of Technology (branch) of HE «Orenburg State University», Russia. Phone: (3537)23-81-98. E-mail: guenter@orsksamgups.ru.
Abstract. Series of model experiments to study the dependency of metal furnace charge porosity changing on the charging bucket height in electric furnace steelmaking have been executed. The experiments performed comprise four ways of lumpy scrap charging in a basket, which are usual for the arc furnace operating modes: without and with liquid cast iron adding in technological process of smelting. On the basis of the data obtained functional dependence of metal furnace charge porosity changing on the charging bucket height for each of considered options have been established.
Keywords: approximation of data, electric furnace steelmaking, metal furnace charge, porosity, real covering, model covering.
References
1. Kitayev B.I. Yaroshenko D.G., Suchkov V.D. Teploobmen's Knots in mine
furnaces. Moscow: Metallurgizdat, 1957. 279 p.
•-
2. Kitayev B.I. Timofeev V.N., Bokovikov B.A. etc. Warm and a mass exchange in a dense bed. Moscow: Metallurgy, 1972. 432 p.
3. The organization of acceptance and metalfurnace charge preparation for loading in the arc electric furnace. Technological instruction TI-13657842-ST.ES-15-2012. Novotroitsk, 2012, 6 p.
4. Bratkovsky E.V., Zavodyany A.V. Elektrometallurgiya of steel and special electrometallurgy. Novotroitsk: NF of MRS., 2008, 115 p.
5. Smooth V.A. Gasik M.I. Ovcharuk A.N. etc. Design and equipment of electrosteel-smelting and ferroalloy shops: textbook. Dnepropetrovsk: System technologies, 2009, 736 p.
6. Guter R.S., Ovchinsky B.V. Elementy of the numerical analysis and mathematical processing of results of experience. Moscow: Science, 1970, 432 p.
7. Rumshinsky L.Z. Matematicheskaya processing of results of experiment. Moscow: Science, 1971, 192 p.
8. Alekseev E.R. Chesnokova O.V. The solution of problems of calculus mathematics in Mathcad 12, MATLAB 7, Maple 9 packages. Moscow: NT Press, 2006, 496 p.
