На правах рукописиМалофеевАлексей ЕвгеньевичСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ В СОВРЕМЕННОЙ ДУГОВОЙ ЭЛЕКТРОПЕЧИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯСпециальность 05.16.02 – Металлургия чёрных, цветных и редких металловАВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наукМагнитогорск – 2010 Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова». Научный руководитель – доктор технических наук, профессор Бигеев Вахит Абдрашитович.Официальные оппоненты: доктор технических наук Бабенко Анатолий Алексеевич;кандидат технических наук Сарычев Александр Валентинович.Ведущая организация – Институт металлургии Уральского отделения Российской академии наук.Защита состоится 30 июня 2010 г. в 14-00 на заседании диссертационного совета Д 212.111.01 при ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» по адресу: 455000, г.Магнитогорск, пр. Ленина, 38, малый актовый зал. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова».Автореферат разослан 27 мая 2010 г.Учёный секретарь диссертационного совета Селиванов В.Н. ^ ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы. Доля мирового объёма производства стали в дуговых электропечах в 2009 году составляла около 38 %. Прогнозы указывают на рост доли электростали в течение последующего десятилетия со скоростью до 4 – 5 % в год. Современные дуговые электропечи используются для расплавления шихты и получения жидкого полупродукта, превращение которого в сталь заданного химического состава и качества осуществляется методами ковшовой металлургии. Технология выплавки полупродукта в современных электродуговых печах развивается в направлении интенсификации плавки. Основными способами интенсификации плавки являются применение топливо-кислородных горелок, кислородных фурм, вдувание углеродсодержащего материала, применение в металлической шихте жидкого чугуна, работа с «болотом» на вспененном шлаке, продувка ванны инертным газом. Современные способы интенсификации плавки позволили сократить цикл плавки до 30 – 50 мин., а удельный расход электроэнергии до 300 – 400 кВтч/т. Важную роль в современной технологии электроплавки имеет шлак, который помимо рафинирующих свойств должен обладать необходимой способностью к вспениванию для экранирования электрических дуг и повышения эффективности использования электрической энергии. Интенсификация плавки применением больших объёмов газообразного кислорода приводит к образованию высокоокисленного шлака с разной склонностью к вспениванию. В настоящее время усиливается дефицит традиционных компонентов металлошихты: стального лома и чугуна, поэтому возрастает роль металлизованного сырья при выплавке электростали. Различные виды такого сырья заметно отличаются друг от друга по химическому и фракционному составам, для их успешного применения требуются дополнительные исследования. В связи с этим, актуальной задачей для электросталеплавильного производства является разработка методов предварительного прогнозирования различных вариантов технологии плавки в дуговой электропечи. ^ Целью работы является совершенствование технологии выплавки стали и расширение сырьевой базы современной дуговой электропечи для улучшения технико-экономических показателей с помощью уточнения ряда параметров плавки, математического моделирования, лабораторных и производственных экспериментов. Для достижения этой цели потребовалось провести совместно с работниками Центральной лабораторией комбината и Центром энергосберегающих технологий ОАО «ММК» промышленные исследования в условиях действующего производства на ДСП-180 ОАО «ММК» и определить неизвестные ранее параметры: - соотношение оксидов железа (FeO) и (Fe2O3) в шлаке; - состав и температуру отходящих газов. Кроме того, требовалось оценить эффективность вдувания углеродсодержащего материала для вспенивания шлака, а также изучить поведение разных видов металлизованного сырья при плавке стали в ДСП-180 ЭСПЦ ОАО «ММК».^ Научная новизна работы заключается в следующем: - получены эмпирические зависимости содержания в шлаке оксидов железа (FeO) и (Fe2O3) при изменении общей окисленности шлака современной ДСП; - выявлена рациональная область окисленности шлака. Общая окисленность шлака должна быть не более 40 %, а содержание (Fe2O3) не более 10 %; - определён состав отходящих газов по ходу современной электроплавки; - определена температура отходящих газов по ходу плавки.^ Практическая значимость работы состоит в том, что 1. Разработана математическая модель, позволяющая рассчитывать основные параметры различных вариантов технологии плавки современной электропечи. 2. Сделаны рекомендации по совершенствованию процесса вдувания углеродсодержащих материалов в ДСП-180 ОАО «ММК». 3. Произведена оценка возможности применения различных видов железосодержащих материалов с разной степенью металлизации в электродуговой плавке. 4. Разработанная математическая модель технологии выплавки стали в современной ДСП стала основой для создания мультимедийной обучающей системы «Сталевар ДСП», успешно внедрённой в процесс обучения производственного персонала ОАО «ММК» и студентов металлургических специальностей ГОУ ВПО «МГТУ им.Г.И. Носова». ^ Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции молодых специалистов ОАО «ММК» (Магнитогорск, 2006 и 2008); третьем конгрессе металлургов Урала (Челябинск, 2008г.); десятом международном конгрессе сталеплавильщиков (Магнитогорск, 2009г.); втором международном промышленном форуме «Реконструкция промышленных предприятий – прорывные технологии в металлургии и машиностроении» (Челябинск, 2009г.); на ежегодных конференциях МГТУ по итогам научно-исследовательских работ в 2007…2010 годах. Публикации. По материалам диссертации опубликовано 12 статей в журналах и сборниках научных трудов, в том числе 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.^ Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка использованных источников и приложений. Она изложена на 130 страницах машинописного текста, включая 19 таблиц, 28 рисунков и 102 источника.^ ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены ее цель, решаемые задачи, научная новизна и практическая значимость.^ В первой главе на основе анализа литературных данных рассмотрена выплавка стали в современных электродуговых печах. Особое внимание уделено особенностям вспенивания шлака. Выявлены недостаточно исследованные элементы технологии (соотношение оксидов железа (FeO) и (Fe2O3) в шлаке, состав и температура отходящих газов) и недостатки математических моделей, описывающих процесс.^ Во второй главе приведены результаты исследований в условиях действующего производства на ДСП-180 ЭСПЦ ОАО «ММК». Анализ специально отобранных проб шлака по ходу плавки показал, в основном, его чрезмерную окисленность (общее содержание оксидов железа иногда превышало 50 %), и повышенную долю оксидов трёхвалентного железа (рисунок 1). Рисунок 1 – Зависимость содержания оксидов железа от общей окисленности шлака ДСП: - (FeO); - (Fe2O3) Обработав результаты, представленные на рисунке 1, получили зависимость отношения (FeO)/(Fe2O3) от общей окисленности шлака (рисунок 2). Рисунок 2 – Зависимость отношения оксидов железа (FeO)/(Fe2O3) от общей окисленности шлака ДСП Из рисунков 1 и 2 видно, что при увеличении общей окисленности шлака более 35 %, наблюдается резкий рост доли высшего оксида железа (Fe2O3). Получена зависимость отношения оксидов железа (FeO)/(Fe2O3) от окисленности шлака ДСП-180: . (1) Решив систему уравнений (2) где - отношения оксидов железа (FeO)/(Fe2O3) при общей окисленности шлака ДСП (по рисунку 2). Получим зависимость содержания оксидов железа от общей окисленности электропечного шлака:; (3). (4) Таким образом, появляется возможность оценки потерь железа в современном электросталеплавильном процессе (рисунок 3).. (5) Рисунок 3 – Зависимость потерь железа с его оксидами в шлаке от общей окисленности шлака современной ДСП В ДСП предусмотрены инжекторы для вспенивания шлака и восстановления оксидов железа. Вдувают 5 – 6 кг/т углеродсодержащего материала в струе воздуха, однако эффективность вспенивания (взаимодействия этого материала с оксидами железа) неудовлетворительна. На это указывает отсутствие зависимости общей окисленности шлака от расхода вдуваемого углерода. Анализ отходящих газов в тот же период плавки показал резкий скачёк содержания оксидов углерода (особенно СО) и увеличение температуры (рисунок 4, 5). Рисунок 4 – Состав отходящих газов по ходу плавки № 450818: Рисунок 5 – Изменение температуры отходящего газа по ходу плавки № 450818 Фактически в газоходе-охладителе газоочистки вместо охлаждения продолжаются экзотермические реакции окисления углерода и дожигания его монооксида. В итоге, к блокам рукавных фильтров подходит газ с температурой 180 0С и выше, что значительно больше допустимого, фильтры выходят из строя. Установлено, что при окисленности шлака более 40 % (особенно более 50 %), затруднена кампания по его вспениванию. Это приводит к увеличенному расходу электроэнергии (рисунок 6). Рисунок 6 – Зависимость удельного расхода электроэнергии от общей окисленности шлака Эта зависимость согласуется с литературными данными о рациональной общей окисленности электропечного шлака в пределах 25-35 %. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют о том, что в действующей технологии рабочая область окисленности шлака электропечи не соответствует рациональной. Требуется удерживать общую окисленность шлака не более 40 %, а содержание (Fe2O3) не более 10 %. Отмечено, что основность шлака в экспериментальных пробах составляла 1,8 – 2,0, что по литературным данным соответствует рекомендуемой для его хорошего вспенивания. Проведённые промышленные исследования позволили получить новые данные, и появилась возможность для разработки уточнённого математического описания современного процесса выплавки стали в дуговых электропечах.^ В третьей главе приводится математическое моделирование процесса выплавки стали в современной дуговой электропечи. В качестве основы для создания математической модели плавки стали в современной ДСП были выбраны многолетние разработки в области моделирования сталеплавильных процессов на кафедре металлургии чёрных металлов ГОУ ВПО «МГТУ им.Г.И. Носова» под руководством А.М. Бигеева. Модель дополнена полученными в ходе промышленных исследований на ДСП данными (глава 2) по общему содержанию оксидов железа (FeO) и (Fe2O3), их соотношению, составу и температуре отходящих газов, потерям железа, основности шлака и удельному расходом электроэнергии. В расчёте учитываются влияния современных способов интенсификации плавки на структуру материального и теплового балансов. Предусмотрена возможность применения железосодержащего сырья с разной степенью металлизации и рассчитывается склонность шлака к вспениванию. Большинство параметров плавки рассчитывали по уравнениям, входящим в базовую модель А.М. Бигеева. В соответствии с особенностями плавки стали в современной электродуговой печи в модель были внесены ряд дополнений и изменений. В случае необходимости расчёта плавки с применением брикетов металлизованного сырья (как частичных заменителей лома) вводится коэффициент пересчёта К1: При замене 1 кг лома (6) где - содержание железа в металлическом ломе, %;- содержание железа в металлизованном сырье, %. Расход брикетов металлизованного сырья на плавку, (7) где - расход чугуна;-расход лома;- расход брикетов металлизованного сырья.Для оценки вспенивания шлака используется индекс вспенивания. Он имеет размерность времени, а физический его смысл может быть определён как время прохождения пузырька газа через слой шлака по формуле (8): (8) где - вязкость (Па с), - поверхностное натяжение (Н м-1), - плотность (кг/м3), - диаметр пузырька. Плотность шлака определяется по формуле, (9) а поверхностное натяжение:. (10) Вязкость шлака принимается по известным зависимостям от температуры. Определим коэффициент вспенивания шлака fr как отношение объёма пены, состоящей из объёма вспенивающего газа и объёма шлака, к объёму шлака в невспененном состоянии по формуле: (11) Объём шлака составит, (12) а высота шлака в печи составит, (13) а объём вспенивающего газа составил. (14) В тепловом балансе современной плавки в ДСП также произошли значительные изменения, связанные, прежде всего, с использованием водоохлаждаемых элементов в конструкции печи, применением топливно-кислородных устройств и инжекторов для вспенивания шлака, наличием «болота», а в ряде случаев работой на жидком чугуне и металлизованном сырье. Математическая модель уточнена по температуре и составу отходящих газов, по роли тепловых эффектов реакций окисления железа до (FeO) и (Fe2O3) и вдуваемого углерода. Полученная математическая модель технологии выплавки стали в современной ДСП послужила основой для создания мультимедийной обучающей системы «Сталевар ДСП». В настоящее время программный комплекс «Сталевар ДСП» успешно внедрён в процесс обучения производственного персонала ОАО «ММК» и студентов металлургических специальностей ГОУ ВПО «МГТУ им.Г.И. Носова». ^ В четвертой главе приводятся результаты исследования трёх видов железосодержащего сырья с разной степенью металлизации в качестве компонентов шихты для ДСП-180 ЭСПЦ ОАО «ММК». Исследование этих материалов проводилось в три этапа: 1. Математическое моделирование плавки (с помощью модели, полученной в главе 3) в условиях ДСП-180 ОАО «ММК» с целью определения целесообразности применения разных шихтовых материалов 2. Лабораторные эксперименты с целью горячего физического моделирования плавок с различной шихтовкой. 3. Промышленные плавки в условиях ЭСПЦ ОАО «ММК». Приводятся результаты математического моделирования и лабораторных испытаний брикетов металлизованного сидеритового сырья Бакальского месторождения, брикетированной окалины прокатных цехов ОАО «ММК» и результаты математического моделирования, лабораторных и промышленных испытаний горячебрикетированного железа (ГБЖ) производства ОАО «Лебединский ГОК». Лабораторные эксперименты проводились на базе кафедры электрометаллургии и литейного производства ГОУ ВПО «МГТУ им.Г.И. Носова» в электропечи ёмкостью 12 кг. Базовая шихтовка составляла 75 % стального лома и 25 % чугуна. Далее шихтовка лабораторных плавок менялась согласно данным, полученным с применением математической модели. Часть лома заменялась исследуемыми альтернативными материалами. Из проведённых опытных плавок сделано заключение о минимально допустимой степени металлизации 85 % в железосодержащем материале при максимально допустимом уровне содержания оксидов железа – 15%. Выполнение этих условий способен обеспечить производитель ГБЖ – ОАО «Лебединский ГОК». Результаты опытных промышленных плавок согласуются с результатами математического моделирования и лабораторных исследований (таблица). Таблица – Химический состав металла-полупродукта, % Вид Шихтовка плавки, % Состав металла на выпуске, % лом чугун ГБЖ С Mn S P Cr Ni Cu Расч. 100 0 0 0,040 0,068 0,030 0,021 0,046 0,078 0,220 Пром. 100 0 0 0,042 0,044 0,060 0,018 0,051 0,091 0,188 Расч. 75 25 0 0,050 0,084 0,035 0,040 0,039 0,065 0,160 Пром. 75 25 0 0,074 0,068 0,037 0,050 0,048 0,096 0,173 Расч. 60 25 15 0,050 0,055 0,040 0,017 0,036 0,043 0,130 Лаб. 60 25 15 0,890 0,320 0,053 - 0,048 0,077 0,170 Пром. 60 25 15 0,060 0,043 0,047 0,008 0,044 0,089 0,182 Примечание: Расч. – расчётная, Пром. – промышленная, Лаб. – лабораторная плавка. Показана принципиальная возможность использования ГБЖ в количестве до 50 тонн на плавку, что позволяет получать кондиционный металл с пониженным содержанием фосфора и остаточных элементов по сравнению с обычными плавками. В 2010 году на ДСП-180 ЭСПЦ ОАО «ММК» была успешно переработана промышленная партия ГБЖ ОАО «Лебединский ГОК». Материал подавался в завалку вместе с ломом в количестве 20 – 30 т. ^ ОБЩИЕ ВЫВОДЫ1. Промышленные исследования в условиях действующего производства на современной ДСП-180 ЭСПЦ ОАО «ММК» позволили определить ранее неизвестное соотношение оксидов железа (FeO) и (Fe2O3) в шлаке, состав и температуру отходящих газов. Выявлено, что в действующей технологии ДСП-180 ЭСПЦ ОАО «ММК», рабочая область общей окисленности шлака (45–52 %) электропечи не соответствует рациональной. 2. Для хорошего вспенивания шлака и максимально эффективного использования электрической энергии дуги требуется удерживать общую окисленность шлака в пределах 30–40 %, а содержание (Fe2O3) не более 10 %. Даны рекомендации по совершенствованию процесса вдувания углеродсодержащего материала для вспенивания шлака. Произведена оценка склонности шлака разного химического состава к вспениванию. 3. Математическая модель плавки стали в современной дуговой электропечи дополнена полученными в ходе промышленных исследований на ДСП данными по общему содержанию оксидов железа (FeO) и (Fe2O3), их соотношению, составом и температурой отходящих газов, потерями железа, основностью шлака и удельным расходом электроэнергии. В модели учитывается влияния современных способов интенсификации плавки на материальный и тепловой баланс. Появилась возможность расчёта применения различных видов шихты, в том числе железосодержащего сырья с разной степенью металлизации. 4. Полученная математическая модель технологии выплавки стали в современной ДСП, послужила основой для создания мультимедийной обучающей системы «Сталевар ДСП». В настоящее время программный комплекс «Сталевар ДСП» успешно внедрён в процесс обучения производственного персонала ОАО «ММК» и студентов металлургических специальностей ГОУ ВПО «МГТУ им.Г.И. Носова». 5. С помощью модернизированной математической модели современной электродуговой плавки были реализованы лабораторные и промышленные эксперименты по изучению трёх видов железосодержащего сырья с разной степенью металлизации в качестве шихты для ДСП-180 ЭСПЦ ОАО «ММК». Сделан вывод о минимально допустимой степени металлизации 85 % в железосодержащем материале, при максимально допустимом уровне содержания оксидов железа 15 %. ^ Основное содержание работы отражено в следующих публикациях:1. Особенности работы ДСП на длинных дугах / В.А. Бигеев, А.Е. Малофеев, А.В. Пантелеев и др. // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». – 2006. – № 4 (16). – С. 20 – 21. 2. Регулирование окисленности шлака по ходу плавки в современной дуговой печи / В.А. Бигеев, А.Е. Малофеев, А.В. Пантелеев // Сталь- 2009.-№3-С.89. 3. Изучение поведения химических элементов при выплавке полупродукта в сверхмощной дуговой сталеплавильной печи с различным расходом жидкого чугуна / Л.В. Алексеев, А.М. Столяров, А.Е. Малофеев и др. // Вестник МГТУ им. Г.И. Носова. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». – 2009. – № 1 (25). – С. 38 – 41. 4. Особенности материального и теплового балансов ДСП-180 ОАО «ММК» / У.Б. Ахметов, А.Е. Малофеев, А.В. Пантелеев и др. // Теория и технология металлургического производства: Межрегион. сб. науч. тр. / Под ред. В.М. Колокольцева. – Вып. 7. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ» – 2007. – С. 84 – 87. 5. Совершенствование процесса вспенивания шлака в ДСП / Бигеев В.А., Малофеев А.Е. // Тезисы докладов научно-технической конференции молодых специалистов – Магнитогорск: ОАО «ММК» - 2007 – С. 30-32. 6. Поведение углерода в современной ДСП / Пантелеев В.А., Малофеев А.Е. // Тезисы докладов научно-технической конференции молодых специалистов – Магнитогорск: ОАО «ММК» - 2006 – С. 45-47. 7. Особенности шлакового режима при выплавке стали в современной ДСП / Бигеев В.А., Пантелеев А.В., Малофеев А.Е. // Материалы III Конгресса металлургов Урала – Челябинск: 2008 – С. 89-91. 8. Анализ особенностей материального и теплового балансов ДСП-180 ОАО «ММК» / Малофеев А.Е., Бигеев В.А., // Тезисы докладов научно-технической конференции молодых специалистов – Магнитогорск: ОАО «ММК» - 2008 – С. 36-37 9. Совершенствование процесса вспенивания шлака в дуговых сталеплавильных печах Бигеев В.А., Малофеев А.Е. // Материалы 65-й научно-технической конференции: Сб. докл. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». – 2007. – Т. 1. – 234 с. 10. Окисленность шлака в современной дуговой сталеплавильной печи / Бигеев В.А., Малофеев А.Е., Пантелеев А.В. // Материалы Х Международного конгресса сталеплавильщиков.- Магнитогорск - 2008. 11. Регулирование окисленности шлака по ходу плавки современной дуговой сталеплавильной печи / Бигеев В.А., Малофеев А.Е., Л.В. Алексеев // Материалы 67-й научно-технической конференции: Сб. докл. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ». – 2009. – Т. 1. – С. 74-76. 12. Регулирование окисленности шлака по ходу плавки современной дуговой сталеплавильной печи / Бигеев В.А., Малофеев А.Е., А.Н. Федянин // Теория и технология металлургического производства: Межрегион. сб. науч. тр. / Под ред. В.М. Колокольцева. – Вып. 9. – Магнитогорск: ГОУ ВПО «МГТУ» – 2009. – С. 44 – 46.