УДК 669.141.247
ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РАБОТЫ ДУГОВОЙ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЙ ПЕЧИ В ОДНОЙ ИЗ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ КОМПАНИЙ ТУРЦИИ
© Tunc Мurat1, e-mail: tuncmu@gmail.com; Camdali Unal2, e-mails: ucamdali@ybu.edu.tr, ucamdali@gmail.com; Arasil Gorkem3, e-mail: gorkem.arasil@uskudar.edu.tr
1 Istanbul Bilgi University. Turkey, Istanbul
2 Yildirim Beyazit University. Turkey, Ankara
3 Uskudar University. Turkey, Istanbul Статья поступила 04.03.2015 г.
Приведены результаты энергетического анализа, выполненного на основе первого закона термодинамики применительно к дуговой сталеплавильной печи в одной из металлургических компаний Турции. Для проведения анализа в первую очередь были определены виды поступающей в ДСП энергии - электрической и химической, возникающей в результате экзотермической реакции. Далее были определены виды исходящей из ДСП энергии, к которым относятся: энергия, переносимая жидкой сталью, шлаком, пылью, частицами металла в шлаке, печными газами и охлаждающей водой. Тепловые потери ДСП и электродов за счет теплопроводности, конвективного теплообмена и излучения были определены с использованием соответствующих уравнений, приведенных в научных изданиях.
Ключевые слова: сталь; дуговая сталеплавильная печь; энергетический анализ; жидкая сталь; Турция.
Объемы производства стали постоянно растут. Если в 1975 г. в мире выплавлялось 595 млн т стали, то к 2013 г. этот показатель достиг 1,6 млрд т. Доля электростали в общем объеме произведенной стали - около 480 млн т/год, или порядка 30% (рис. 1). В Турции ежегодно выплавляется около 27 млн т стали (рис. 2). Доля электростали в этом производстве неуклонно возрастает. В последние годы почти 75% суммарного производства стали в Турции давали ДСП (рис. 3).
По сравнению с другими способами производства чугуна и стали, выплавка в электроду-
говых печах характеризуется весьма высоким удельным расходом энергии. Производительность ДСП заметно возросла с 1970-х годов благодаря использованию современных дуговых сверхмощных сталеплавильных электропечей (UHP - Ultra High Power), которые гарантируют высокую скорость плавления [1-3].
Сегодня перерабатываемый в ДСП металлолом обеспечивает 1/3 мирового ежегодного производства стали. Поскольку типичная ДСП за время работы потребляет около 450 кВт-ч/т электроэнергии, представляет интерес анализ ее потенциала c точки зрения энергопотребления, экономической эффективности и экологичности [4].
Традиционная схема производства стальной продукции включает выплавку, вне-печную обработку и разливку с дальнейшей подачей на прокатный передел, сварку, нанесение покрытий и/или термообработку [5].
Сталеплавильное производство включает ряд сложных взаимосвязанных физи-
1999 2001 2003
2005 2007 Годы
2009 2011 2013
Рис. 2. Выпуск стали в Турции по годам [7]
80-1
60-
К < 40-
< -
20-
0-
3
• | • | * | • | * | * |___,___,_■ | • | ._,_—
1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 Годы
Рис. 1. Сравнение трех способов производства стали в мире по годам [7]: 1 - в кислородных конвертерах; 2 - в ДСП; 3 - в мартеновских печах
т-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-1-г~
1999 2001 2003 2005 2007 2009 2011 2013 Годы
Рис. 3. Сравнение способов производства стали в Турции по годам: 1 - в ДСП; 2 - в кислородных конвертерах [7]
2
Лом
Кокс
Флюсы
Раскислители
Электрод
Кислород
Таблица 1. Материальный баланс ДСП, рассчитанный с использованием компьютерной программы [5]
Выход продуктов из ДСП: отходящий газ, сталь в шлаке, пыли, шлак
Рис. 4. Схема движения материалов в ДСП
Рис. 4. Дуговая сталеплавильная печь вместимостью 30 т
ческих и химических процессов: окисление, обезуглероживание, дефосфорацию, образование шлака [6].
В процессе производства стали в ДСП до начала плавки и нагрева в печь в корзинах, тщательно сформированных в шихтовом пролете, загружают переплавляемый стальной лом. После завалки наводят свод и опускают в загруженный лом электроды, для каждого из которых предусмотрены отдельный регулятор и механический привод. После подачи электроэнергии через печные трансформаторы [8] в местах контакта электродов с твердой шихтой возникает электрическая дуга, при этом происходит превращение электрической энергии в тепловую. Через 8090 мин температура металла достигает 1600 °С*, затем расплавленный металл выпускают в ковш, который отправляют для обработки на АКП [1, 5].
В сталеплавильных электропечах используются различные виды металлолома, а также вспомогательные материалы (рис. 4) для наведения шлака, легирования, раскисления и удаления примесей [9].
В приводимом исследовании выполнен энергетический анализ для ДСП вместимостью около 30 т. ДСП рассматриваемой компании и ее общий материальный баланс приведены на рис. 5 и в табл. 1.
Энергетический анализ работы ДСП. Анализ видов энергии, поступающих в ДСП и образующихся в ней, а также видов энергии, относящихся
Приход, кг Выход, кг
Металлолом (отхо-
ды металлообра- 16 000 Жидкая сталь 30 400
ботки)
Металлолом (круп-
ногабаритный 16 000 Шлак 2 617,292
лом)
Кокс 1500 Отходящие газы 3 662,130
Флюсы 1100 Пыль 584,966
Кислород 2800 Железо в шлаке 161,7818
Электроды 73,0 Избыточный углерод 46,830
Охлаждающая вода 637 500 Охлаждающая вода 637 500
Итого 674 973 Итого 674 973
к системе в целом, описаны ниже. Для проведения энергетического анализа плавки в ДСП были сделаны следующие допущения:
- изменения потенциальной и кинетической энергии материалов, поступающих в ДСП и выходящих и нее пренебрежимо малы,
- отходящие газы рассматриваются как идеальные.
В системах с установившимся потоком, пренебрегая изменениями потенциальной и кинетической энергии, первый закон термодинамики можно представить в следующем виде:
Qn+lMiK+Ah)^
= Wcv+ZPnj(K+Ah)j + I1Ql0SS, (1)
где cv - рассматриваемая система; Qcv - поток тепла через систему; R и P - реагенты и основные продукты соответственно; n - количество молей; h0o - стандартная мольная энтальпия; Dh - изменение мольной энтальпии; Qlgss - потери тепла; i, j - индексы реагентов и продуктов, а также
— — — гТ - —
Ah = hr - Й298 = cPdT + A/iphase, кДж/кмоль; (2)
JTo
ср = a + bT + cT-2, кДж/(кмоль-К), _ (3)
где hT, h298 - энтальпии при Т и 298 К; ср - удельная (на моль) теплоемкость при постоянном давлении; Dh , - изменение фазовой энтальпии на
phase т
моль; Т - температура, К; a, b, c - константы для компонентов системы.
Значения коэффициентов a, b и c для некоторых материалов приведены в табл. 2. Значения c
' Примечание редактора: в современных ДСП длительность плавки составляет 40-60 мин, а температура выпуска 1620-1650 "С.
Таблица 2. Удельная теплоемкость при постоянном давлении и коэффициенты а, Ь и с для используемых в ДСП элементов, содержащихся в материалах [12]
Вещество a b с cp = a + bT = cT 2, кДж/(кмоль^К)
<Fe> а 17,47 24,75-10-3 0 17,47+24,75-10-3T (273 < T < 1033)
<Fe>p 37,62 0 0 37,62 (1033 < T < 1181)
<Fe> Y 7,69 19,48-10-3 0 7,69+19,48-10-3T (1181 < T < 1674)
<Fe>s 43,89 0 0 43,89 (1674 < T < mp)
{Fe} 41,80 0 0 41,80 (mp < T < 1873)
C 17,14 4,26-10-3 -8,78-105 17,14+4,26'10-3T-8,78-105T-2
<Si> 23,91 2,47-10-3 -4,14-105 23,91+2,47'10-3T-4,14-105T-2 (298 < T < mp)
{Si} 25,58 0 0 25,58 (mp < T < 1873)
<Mn> а 23,83 14Д3-10-3 0 23,83+14,13-10-3T (298 < T < 1000)
<Mn>e 34,82 2,76-10-3 1,55-105 34,82+2,76'10-3T+1,55-105T-2 (1000 < T <1374)
<Mn> Y 44,73 0 20,90-105 44,73+20,90-105 T-2 (1374 < T < 1410)
<Mn>s 47,23 0 0 47,23 (1410 < T < mp)
{Mn} 45,98 0 0 45,98 (mp < T < bp)
Обозначения: < >а - а-фаза; < > - р-фаза; < > - у-фаза; < >8 - §-фаза; {} - жидкофазный; < > - твердофазный; mp - точка плавления; bp - точка кипения.
и энтальпии для других материалов можно найти в работах [10, 11].
Виды энергии, поступающей в ДСП. Для
плавления металлолома и получения требуемой температуры расплава в ДСП наиболее эффективны электроэнергия и энергия, образующаяся в результате химических реакций:
- электроэнергия - наиболее действенная энергия, благодаря которой плавится сталь и формируется электрическая дуга в ДСП;
- энергия, т.е. теплота, получаемая в результате экзотермических реакций, проходящих при высоких температурах, ряд которых приведен ниже:
[Б1] + 2[0] ^ (БЮ2); 2[Р] + 5[0] ^ (Р205);
(Са) + [О] ^ (СаО); [Мп] + [О] ^ (МпО);
2[Бе] + 3[0] ^ (Бе203); 2[А1] + 3[0] ^ (А1203);
2[Сг] + 3[0] ^ (Сг2Оэ); [Бе] + [0] ^ (БеО2;
[С] + 2[О] ^ (СО2); [С] + [О] ^ (СО).
Виды энергии, исходящей из системы. Величина энергии, передаваемой из дуговой печи путем переноса веществами - такими, как жидкая сталь, шлак, пыль, жидкие частицы металла в шлаке, печные газы и охлаждающая вода, вычисляется на базе разности их энтальпий в соответствии с уравнениями (2) и (3).
В процессе выплавки стали в ДСП тепловые потери определяются поглощением, теплопроводностью, конвективным теплообменом и излучением. Общее количество тепловых потерь вы-
(4)
ражается уравнением
\ldQbss = j'dQabc +\[dQœnd +
+ \ldQrad+\[dQcom,
где abc - абсорбция; cond - теплопроводность; conv, rad - конвективный и радиационный перенос тепла.
Тепло, поглощаемое подом ДСП. Под выполнен из стального листа, на который последовательно укладываются магнезитовая набивка, хромомагнезитовые и огнеупорные кирпичи. Для расчета теплоты, поглощаемой перечисленными материалами, следует определить массу и объем каждого из них. Вначале определили объем футеровки с помощью уравнения (5), а затем - количество теплоты по уравнению (6)
V = Ш r2sin9drdedD, (5)
сabc
(РьУь)
{ мь )
сЛТ,
(6)
где г - радиус подины ДСП; 0, D - угол и диаметр, характеризующие геометрию подины ДСП; рь -плотность материала подины; Vb - объем подины ДСП; Mb - молекулярный вес материала подины.
Тепловые потери, вызванные утечками через подину ДСП. Площадь подины можно вычислить по уравнению (7), тепловые потери за счет ее проводимости можно рассчитать по уравнениям (7) и (8)
A = г2 Л sin9drdЭdD, (7)
0тЛ=-кАг(аТ1йг\ (8)
где Аг - площадь подины.
Тепловые потери через свод ДСП, вызванные излучением и конвекцией. Свод дуговой печи открывается для загрузки лома и других шихтовых материалов. К
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.