Лабораторная работа № 1 управление плавлением шихты в дуговой сталеплавильной печи.

( 4 Часа )

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ.

1.I. Изучить особенности тепловой работы ДСП в период плавления шихты.

1.2. Выработать навыки управления постадийным процессом плавления шихты.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ.

2.1. Основная задача автоматизации дуговой сталеплавильной печи - получить сталь заданного химического состава и требуемой температуры, а так же максимальную производительность печи. Плавка стали в ДСП является процессом с периодически повторяющимися операциями. Каждый период плавки предъявляет индивидуальные требования к автоматизации.

Плавку стали в ДСП целесообразно характеризовать тремя режимами: электрическим, тепловым и технологическим. Период плавления в дуговой сталеплавильной печи является наиболее энергоемким. В электропечи регулирование температурного режима и тепловое мощности осуществляется в основном косвенно - путем изменения электрической мощности, вводимой в печь. Тепло, необходимое для расплавления шихты и протекания технологических процессов в печи, выделяется в электрической дуге. Дуговой разряд развивается между торцом угольного электрода и поверхностью твердого металлического лома или жидкого металла.

Процесс теплообмена в рабочем пространстве ДСП относится к сложному виду теплообмена и при этом в течение периода плавления изменяется его характер. Основная задача этого периода плавления - нагреть холодные шихтовые материалы до температуры плавления, поддерживать эту температуру до полного расплавления шихты и обеспечить требуемый перегрев ванны до начала окислительного периода. Поэтому длительность расплавления шихты в основном определяет производительность печи.

В начале периода плавления кладка печи отдает тепло холодной шихте. При этом дуги горят между электродами и твердой холодной шихтой. В дальнейшем по мере разогрева шихты и раскрытия электрических дуг кладка вновь начинает аккумулировать энергию и ее температура растет.

Электрический режим в начале плавки неустойчив. Короткие дуги горят беспокойно, перебрасываясь с одного куска металла на другой, часто обрываются, вызывая необходимость короткого замыкания для повторного зажигания. В небольшом объеме под электродами выделяется большая мощность. В результате в шихте образуются колодцы, диаметр которых на 30-40 % больше диаметра электрода. Обвал стенок этих колодцев вызывает частые толчки тока и короткие замыкания, в результате чего возникают резкие колебания мощности.

2.2. Учитывая особую важность периода плавления, рассмотрим его более подробно. Период плавления можно условно разделить на четыре стадии.

Первая стадия - зажигание электрических дуг» В момент зажигания дуг, когда электроды еще не заглублены в шихту, излучение дуг может воздействовать на свод и футеровку стен. Длится эта стадия недолго - дуга сравнительно быстро экранируется шихтой. Для уменьшения облучения свода и футеровки стен в эту стадию работают на сравнительно коротких дугах.

Задачей стадии зажигания электрических дуг является обеспечение наиболее быстрого зажигания дуг и прогрева шихты под электродами. Масса расплавленного металла на этой стадии незначительна. Управление процессом ведут по величине теплового потока для печей с водоохлаждаемыми панелями, либо по максимальной температуре внутренней поверхности свода и стен для футерованных печей.

Вторая стадия - проплавление колодцев. Болото, оставленное от предыдущей плавки, позволяет быстро плавить шихту и выделять максимальную мощность в печь. На стадии проплавления колодцев электрические дуги заглубляются в шихту, металл под электродами расплавляется и перетекает на подину. Масса расплавленного металла зависит от величины вводимой мощности и насыпной плотности шихты, которые определяют размер образующихся колодцев. Скорость плавления шихты на этой стадии минимальна, так как значительная часть мощности идет на прогрев всей массы шихты теплопроводностью. Температура внутренней поверхности футеровки снижается, и ее тепло аккумулируется шихтой .

Если вести плавку на больших токах, прожигаются узкие колодцы. Электроды проходят колодцы быстро, при этом образуется мало жидкого металла, Поэтому на этой стадии работают на длинных дугах, которые, кроме того, позволяют в большей мере стабилизировать электрический режим.

Задачей стадии проплавления колодцев является образование ванны жидкого металла, достаточной для поддержания горения электрических дуг.

Третья стадия - плавление закрытыми дугами, характеризуется полным поглощением мощности, вводимой электрическими дугами, На этой стадии создаются условия для введения максимальной мощности в печь: дуга, горит на жидкий металл, а футеровка стен экранирована шихтой. Шихта интенсивно расплавляется как за счет излучения дуг, так и за счет воздействия поднимающейся ванны жидкого металла. В ходе стадии образуется общий для всех электродов колодец, который постепенно расширяется. Ванна жидкого металла увеличивается, заполняет поры в твердой шихте и дополнительно подогревает ее. Происходят обвалы шихты сначала в центральной части печи, затем на периферии. Стены и откосы печи постепенно обнажаются, и тепловой ноток от дуг начинает греть футеровку. Для повышения усвоения вводимой мощности необходимо большую часть шихты расплавлять закрытыми дугами, когда скорость плавления шихты максимальна. Температура футеровки в начале стадии понижается, достигает своего минимального значения, затем начинается ее постепенный подъем.

Задачей стадии плавления закрытыми дугами является расплавление максимально возможного количества шихты. Оставшееся от предыдущей плавки болото позволяет при управлении процессом вводить максимальную мощность с учетом температуры футеровки стен печи.

Четвертая стадия характеризуется наличием открытых дуг, В печи еще много нерасплавленной шихты, особенно на откосах, но шихта уже не экранирует дуги. После заполнения жидким металлом пустот между кусками твердой шихты дуги полностью открываются и с этого момента свободно излучают энергию во всех направлениях, то есть на свод, стены и ванну. Обычно началом открытия дуг считается тот момент, когда наблюдается резкий рост температуры внутренней поверхности футеровки со скоростью 30-50 ^оС/мин. В этот период активная мощность печи должна снижаться и ее необходимо согласовывать с тепловым состоянием футеровки. К концу периода плавления внутренняя поверхность футеровки ДСП достигает 1400-1600 ^оС. Как правило, по директивному графику применяется ступенчатое снижение мощности с целью предотвращения перегрева футеровки выше 1670 ^оС. Допускается кратковременный нагрев футеровки до 1700 ^оС.

Для печей с водоохлаждаемыми панелями определяется тепловой поток, идущий на панели. Стойкость панелей определяется по разности температур отходящей и входящей воды. Тепловой поток, кВт/м² , рассчитывается по величине мощности электрических дуг, приходящихся на 1 кв. м панелей. Предельное значение 240 кВт/м² .

Окончание периода открытого горения дуг наступает при расплавлении всей загруженной части шихты или при достижении заданной температуры металла.

Задачей стадии открытого горения дуг является доплавление шихты и нагрев металла до температуры окончания периода плавления, что соответствует температуре начала окислительной продувки. Управление процессом проводят по максимальной температуре футеровки или по тепловому потоку от электрических дуг.

Система управления тепловым режимом ДСП используется с целью регулирования тепловой нагрузки, снижения расходов электроэнергии и электродов, увеличения производительности печи, сокращения время плавки, снижения тепловых потерь и исключения по возможности разрушения футеровки. Основным критерием управления является сокращения периода плавления шихты, частным критерием - уменьшение расхода электроэнергии .

3. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПЕРИОДА ПЛАВЛЕНИЯ В ДСП

3.1. Для стандартных дуговых сталеплавильных печей вместимостью 25 - 200 т составлена база данных изменения массы расплавленного металла Gм, средней температуры шихты Тш и максимальной, температуры футеровки Тф в течение всего периода плавления τ в зависимости от величины вводимой мощности Р и насыпной плотности шихты ρ в интервале 1,0-2,0 т/м³. В общем виде можно записать:

Gм = f₁ ( Р, ρ, τ ) ,

Тш = f₂ ( Р, ρ, τ ) , ( 1 )

Тф = f₃ ( Р, ρ, τ ) ,

Указанная база данных составлена расчетным путем и на основании проверки их адекватности промышленным измерениям на действующих печах. Для математической модели принята табличная форма представления исходных и расчетных данных. Использование таблиц, а не интерполяционных зависимостей, непосредственно в расчете процесса плавления более выгодно в связи с определенностью этих данных. Чтобы объем таблиц был приемлемым, для расчета принят временной шаг, равный 3 мин.

Вышеуказанные параметры для рассматриваемых марок стали имеют сходный характер, поэтому можно составить общую матрицу расчета с применением отличительные коэффициентов для разных марок стали.

Зависимости ( 1 ) имеют трехмерные характер и в таком виде введены в память ЭВМ. При решении задачи плавления насыпная плотность шихты для каждой конкретной плавки задается заранее, поэтому можно перейти к упрощенной двумерной модели, которая рассчитывается в программ:

Gм^ρ = f₄ ( Р, τ ) ,

Тш^ρ = f₅ ( Р, τ ) , ( 2 )

Тф^ρ = f₆ ( Р, τ ) ,