Реєстраційний номер
0519U001694, Докторська дисертація
На здобуття
Доктор технічних наук
Дата захисту
29-10-2019
Статус
Захищена
Назва роботи
Розвиток наукових основ підвищення енергоефективності дугових сталеплавильних печей
Здобувач
Тімошенко Сергій Миколайович, к.т.н.
Керівник Губинський Михайло Володимирович
Консультант Губинський Михайло Володимирович
Опонент Ганжа Антон Миколайович
Опонент Медовар Лев Борисович
Опонент П'яних Костянтин Євгенович
Установа, організація, у вченій раді якої відбудеться/відбувся захист
Національна металургійна академія України
Опис
Дисертація присвячена підвищенню енергоефективності дугових сталеплавильних печей (ДСП) на основі розвитку теоретичних уявлень щодо процесів теплообміну, гідромеханіки і електровихрових течій в робочому просторі ДСП.
Теоретично обґрунтовано й експериментально підтверджено оптимальне, за критерієм енергоефективності, співвідношення діаметра і глибини ванни 2,5−1,8 для різних енерготехнологічних режимів, що дозволяє знизити втрати теплоти з водою на 8,5−49 % і збільшити швидкість нагріву ванни та плавлення скрапу на 12−25 %.
На основі математичного моделювання плавлення металошихти і нагрівання рідкої сталі, встановлено, що коефіцієнт енергоефективності дуги знижується з 0,92−0,94 до 0,68−0,70 при еволюції окремих колодязів до спільного, а збільшення діаметру розпаду електродів до 0,42−0,49 внутрішнього діаметру робочого простору призводить до зниження питомої витрати енергіі в ДСП різної місткості на 2,5−7,5 %.
Встановлено, що в робочому просторі ДСП на трубчастій поверхні водоохолоджуваних елементів (ВЕ) діючі величини теплових потоків, що визначають термічні напруги й стійкість ВЕ, на 12−55 % перевищують значення, розраховані для плоскої поверхні, а частка конвективної і конденсаційної складових теплового навантаження на ВЕ становить в сумі 31−37 % теплового потоку випромінювання.
Розроблено ВЕ з просторовою трубчастою структурою, які, згідно з теоретичними та експериментальними дослідженнями теплового стану, забезпечують зниження втрат теплоти випромінення з охолоджувальною водою на 20−35 % за рахунок формування теплоакумулюючого і теплоізолюючого шару гарнісажу.
Чисельними дослідженнями теплообміну в ДСП ливарного класу в умовах неритмічної роботи визначено і експериментально підтверджено, що застосування ВЕ з просторовою структурою в місцях критичної стійкості футерівки не підвищує енергоспоживання ДСП при відносній площі ВЕ зводу до 15−20 %, знижуючи при цьому витрату вогнетривів в 1,4−2,5 рази.
Розроблена концепція системи аспірації ДСП, заснована на спільному газодинамічному впливі розосередження і збільшення всмоктуючої поверхні з наближенням її до електродних зазорів. Експериментально показана можливість зниження неорганізованих викидів на 15−29 %, притоку повітря в піч на 20−25 %, виносу плавильного пилу з агрегату на 20−50 %.
Отримали розвиток уявлення щодо утилізації теплоти відхідних газів ДСП. На основі дослідження двохстадійного процесу горіння СО в камері допалювання ДСП визначено співвідношення первинного і вторинного повітря 1 до 3,5, яке забезпечує досягнення ГДК СО шляхом організації зони сталого горіння і одержання теплоносія для нагріву скрапу з температурою до 500°С, що виключає утворення токсичних PCDD/F.
На основі термодинамічного аналізу обґрунтовано використання теплоти і хімічного потенціалу відхідних газів ДСП, для термохімічної регенерації природного газу з подальшим нагріванням скрапу спалюванням синтез-газу, що підвищує тепловий ККД печі, працюючої «flat bath» процесом на 5−6 %, знижує витрату природного газу на 21 % і емісію СО2 на 9,8 %.
Розроблено рідкофазний вуглецевотермічний ПВП в теплогенеруючій шлаковой ванні електричної печі з двома ПЕ і встановлено, що для отримання рідкого металізованого продукту в горні, відділеному від ПЕ шаром шлаку, множник, що враховує вплив конвекції у ванні, при коефіцієнті стаціонарної теплопровідності має становити не менше 2,7.
На основі чисельного дослідження електровихрових течій (ЕВТ) в ДСППС ливарного класу, обґрунтовано застосування «глибокої» ванни, що спричинює в 1,3−8,4 рази більш потужне ЕВТ-перемішування для різних варіантів ПЕ і, за рахунок скорочення періода доведення сталі, сприяє зменшенню питомої витрати електроенергії на 3−9 %. Досліджено процеси теплообміну з фазовим переходом біметалічного ПЕ в умовах ЕВТ в анодній ямі ДСППС високої потужності. Встановлено, що рівноважна товщина твердої сталевої частини ПЕ знаходиться в критичній залежності від ширини перехідної зони мідь-сталь, яка для сталої експлуатації ПЕ має не перевищувати 20−25 мм. Обґрунтовано концепцію ПЕ з конвективним механізмом теплопередачі.
Розробки впроваджені на 7 заводах, у ДСП місткістю від 3 до 120 т. Техніко-економічні показники забезпечують термін окупності розробок, як правило, до 1 року.
Ключові слова: дугова сталеплавильна піч, енергоефективність, чисельне моделювання, тепломасообмін, глибока ванна, водоохолоджувані елементи, аспірація, попередній нагрів скрапу, емісія СО, СО2, PCDD/F, термохімічна регенерація природного газу, плавильно-відновний процес, електровихрові течії, подовий електрод.
Дата реєстрації
2019-11-04
Додано/оновлено в НРАТ
2020-04-03 / 2026-06-30
