DOI: 10.52150/2522-9117-2024-38-199-221
Голуб Тетяна Сергіївна, к.т.н., с.н.с., Інститут чорної металургії ім. З. І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, 49107, Україна. ORCID: 0000-0001-9269-2953. E-mail: isinasu.golubts@gmail.com
Молчанов Лавр Сергійович, к.т.н., зав. відділом, Інститут чорної металургії ім. З. І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, 49107, Україна. ORCID: 0000-0001-6139-5956. E-mail: metall729321@gmail.com
КОМПЛЕКСНИЙ АНАЛІЗ МЕТОДІВ ПІДВИЩЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТІ ВИРОБНИЦТВА СТАЛІ НА ПРИКЛАДІ ЗАСТОСУВАННЯ ЕЛЕКТРИЧНОЇ АКТИВАЦІЇ СТРУМЕНЯ КИСНЮ У КОНВЕРТОРАХ ВЕРХНЬОГО ДУТТЯ
Анотація. Динамічна сучасність та стрімкий розвиток науки й техніки потребує від сталеплавильної галузі постійного вдосконалення та інтенсифікації всіх етапів виробництва без значних матеріальних витрат для збереження конкурентоспроможності на ринку конструкційних матеріалів. Це стосується й найбільш ефективного на даний час способу отримання рідкого металевого напівпродукту – киснево-конвертерного способу виробництва. За час свого існування, перебуваючи у постійному вдосконаленні, для киснево-конвертерного способу вже досконало досліджено та встановлено раціональні показники технологічних факторів, які можуть інтенсифікувати процес, знайдено оптимальні межі їх використання, що обмежує подальше їх вдосконалення. Тому на перший план виходять нові способи фізичного впливу, серед яких актуальним є розробка способу активізації електричним розрядом кисневого газового струменя. В роботі досліджено запропонований авторами спосіб створення високовольтного розряду на виході з продувного пристрою. Це спричиняє утворення вільних заряджених часток кисню у газі (йонів), які є більш активними ніж молекулярний кисень щодо розчинення та взаємодії з іншими хімічними сполуками. Основним напрямком дослідження, що відображено в роботі, був термодинамічний аналіз впливу активізації високовольтним розрядом кисневого струменя на перебіг реакцій за участю газоподібної фази. Розрахунки проведено стосовно вільної енергії Гіббса. Цей параметр є показником ймовірності вільного перебігу реакцій з утворенням, в даному випадку, оксидних продуктів й опосередковано відповідає за інтенсивність перебігу всього процесу конвертування. Розрахунки проведено для реакцій окислення компонентів розплаву в реакційній зоні з урахуванням впливу кількості активованих часток на електродні потенціали, перш за все, газоподібного кисню. Відповідно до результатів проведеного аналізу зроблено висновок, що найбільше за рахунок дії газоподібних йонів кисню активується процес окислення вуглецю та процес розчинення кисню у залізо-вуглецевому розплаві. Це, відповідно, повинно як інтенсифікувати сам перебіг конвертування з активним наведенням шлаку та протіканням всіх окислювальних процесів, так і скоротити тривалість його перебігу.
Ключові слова: киснево-конвертерний процес, верхня продувка киснем, високовольтний електричний розряд, йони, реакції окислення, вільна енергія Гіббса.
DOI: https://doi.org/10.52150/2522-9117-2024-38-199-221
Посилання для цитування: Голуб Т. С., Молчанов Л. С. Комплексний аналіз методів підвищення ефективності виробництва сталі на прикладі застосування електричної активації струменя кисню у конверторах верхнього дуття. Фундаментальні та прикладні проблеми чорної металургії. 2024. Вип. 38. С. 199-221. https://doi.org/10.52150/2522-9117-2024-38-199-221.
Перелік посилань
1. Зражевский А. Д., Чернятевич А. Г., Сущенко А. В., Гриценко А. С. Состояние и дальнейшее совершенствование конструкций кислородных фурм в конвертерных цехах Украины. Металлургическая и горнорудная промышленность. 2014. № 6. С. 20-30.
2. Сущенко А. В. Совершенствование и оптимизация дутьевых режимов и устройств кислородных конвертеров. Вісник Приазовського державного технічного університету. 2009. Вbп. 19. С. 36-41
3. Wang Z., Liu H., Wei S., Liu Q., Lu X. Effect of blowing parameters on bath mixing efficiency during basic oxygen furnace steelmaking process. Engineering Reports. 2021. Vol. 3. P. 1-10
4. Asahara N., Naito K., Kitagawa I., Matsuo M., Kumakura M., Iwasaki M. Fundamental study on interaction between top blown jet and liquid Bath. Steel Research International. 2011. Vol. 82. P. 587-594. https://doi.org/10.1002/srin.201100041
5. Cao L. L., Liu Q., Wang Z., Li N. Interaction behavior between top blown jet and molten steel during BOF steelmaking process. Ironmaking and Steelmaking. 2018. Vol. 45. P. 39-248. https://doi.org/10.1080/03019233.2016.1255373
6. Chou J. M., Chuang M. C., Yeh M. H. Effects of process conditions on mixing between molten iron and slag in smelting reduction vessel via water model study. Ironmaking and Steelmaking. 2003. Vol. 30. P. 195-202. https://doi.org/10.1179/030192303225009605
7. Odenthal H.-J., Grygorov P., Reifferscheid M., Schlüter J. Advanced blowing and stirring conditions in the BOF process. AISTech 2013 – The Iron & Steel Technology Conference and Exposition, 6-9 May 2013, Pittsburgh, PA, USA. P. 897-909
8. Wang M.-l., Lu Y.-H., Yang W.-Y., Li Sh.-G., Xu X.-W. Selection of Oxygen Pressure in BOF Steelmaking. Journal of Iron and Steel Research, International. 2011. Vol. 18. Iss. 11. P. 12-16. https://doi.org/10.1016/S1006-706X(11)60110-6
9. Lima W., Maia B. T. BOF Lance and Functions. Conference proceedings of AISTech 2022, Pittsburgh. P. 480-493
10. Li Z.-Z., Zhu R., Liu R.-Z., Lü M. Effect of oxygen lance position on the flow velocity of molten steel in BOF. Journal of University of Science and Technology Beijing. 2014. Vol. 36. P. 15-20. https://doi.org/10.13374/j.issn1001-053x.2014.s1.004
11. Богушевский В. С., Грабовский Г. Г., Церковницкий Н. С, Ушаков В. А. Система управления конвертерной плавкой. Металлургическая и горнорудная промышленность. 2007. №4. С. 232 – 235.
12. Dering D., Swartz C. L. E., Dogan N. A dynamic optimization framework for basic oxygen furnace operation. Chemical Engineering Science. 2011. Vol. 241. 116653 https://doi.org/10.1016/j.ces.2021.116653
13. Dering D., Swartz C.L.E. , Dogan N. A. Dynamic modeling and simulation of basic oxygen furnace (BOF) operation. Processes, 2020. vol. 8(4). P.483-506. https://doi.org/10.3390/pr8040483
14. Баптизманский В. И., Охотский В. Б. Физико-химические основы кислородно-конвертерного процесса. Киев-Донецк : Вища школа, 1981. 182 с.
15. Старов Р. В. Развитие теории и разработка оптимальной технологии конвертерного процесса на базе исследования изменения окисленности шлака по ходу продувки: автореф. дис. д-р техн. наук: 05.16.02, ДМетИ. Днепропетровск, 1995. 50 c.
16. Охотский В. Б. Оптимизация режима продувки сверху в конвертере. Металл и литьё Украины. 1997. № 11-12. С. 34 – 37.
17. Li M. M., Li Q., Li L., He Y. B., Zou Z. S. Effect of operation parameters on supersonic jet behavior of BOF six-nozzle oxygen lance. Ironmaking & Steelmaking Processes, Products and Applications. 2014. Vol. 41. Iss. 9. P. 699-709. https://doi.org/10.1179/1743281213Y.0000000154
18. Li M., Li Q., Kuang S. B., Zou Z. Coalescence characteristics of supersonic jets from multi-nozzle oxygen lance in steelmaking BOF. Steel research Int. 2015. Vol. 86. Iss.12. P. 1517-1529 https://doi.org/10.1002/srin.201400506
19. Smith G. C. Multiple jet oxygen lances. Theoretical analysis and correlation with practice. JOM. 1966. Vol. 18. No. 7. P. 846-851. https://doi.org/10.1007/BF03378475
20. Amano S., Sato S., Takahashi Y., Kikuchi N. Effect of top and bottom blowing conditions on spitting in converter. Engineering Reports. 2021. Vol. 3. iss. 123, e12406. https://doi.org/10.1002/eng2.12406
21. Schmandt B., Herwig H. Diffuser and nozzle design optimization by entropy generation minimization. Entropy. 2011. Vol. 13. No. 7. P. 1380-1402. https://doi.org/10.3390/e13071380
22. Silveira D. C., Hamadeh H., Pastel K., Huber J. C., Brosse G. Effect of supersonic nozzle design on jet behavior in BOF steelmaking. ABM Proceedings, October 1st -3 rd, 2019, São Paulo, SP, Brazi. 2019. P. 1-12 https://doi.org/10.5151/2594-5300-33520
23. Bhattacharya T., Zhan L., Chukwulebe B. Design considerations of supersonic oxygen lances for a Basic Oxygen Furnace (BOF). SCANMET V. 2016. Sweden. P. 1-11.
24. Сущенко А.В. Развитие конструкций кислородно-конвертерных фурм с центральным сопловым модулем. Вісник приазовського державного технічного університету. Технічні науки. 2011. Вип. 22. С. 60 – 67
25. Liu F., Sun D., Zhu R., Zhao F., Ke J. Effect of nozzle twisted oxygen lance on flow field and dephosphorisation rate in converter steelmaking process. Ironmaking & Steelmaking. 2017. Vol. 44. No. 9. P.1-9. https://doi.org/10.1080/03019233.2016.1226562
26. Higuchi, Y., Tago, Y. Effect of nozzle twisted lance on jet behavior and spitting rate in top blown process. ISIJ Int. 2003. Vol. 43. P. 1410 – 1414. https://doi.org/10.2355/isijinternational.43.1410.
27. Liu G., Liu K., Han P. Metallurgical performance of innovative double-parameter oxygen lance in BOF steelmaking. Ironmaking & Steelmaking. 2021. Vol. 48. Iss. 4. P. 1-10. https://doi.org/ 10.1080/03019233.2020.1806677
28. Liu G., Liu K., Han P., Chen Y. Numerical investigation on behaviors of interlaced jets and their interaction with bath in BOF steelmaking. AIP Advances. 2019. Vol. 9, 075202. https://doi.org/10.1063/1.5100170
29. Чернятевич А. Г., Молчанов Л. С., Юшкевич П. О. Питання теорії і практики підвищення ефективності комбінованої продувки конвертерної ванни. Теорія і практика металіргії. 2018. № 1-2. С. 83-95
30. Молчанов Л. С., Чернятевич А. Г., Вакульчук В. В., Юшкевич П. О., Чубін К. І. Оценка влияния конструкций многоярусных кислородных фурм на эффективность продувки конвертерной ванны с дожиганием отходящих газов. Фундаментальные и прикладные проблемы черной металлургии. 2018. Вип. 32. С. 208-219. http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/160023
31. Вергун А. С., Чернятевич А. Г., Нестеров А. С., Чайка А. Л. Современный технологический маршрут конвертерного производства качественного железоуглеродистого полупродукта в сырьевых и энергетических условиях Украины. Метал та лиття України. 2020. Вип. 28. №1 (320). С. 30 – 37. https://doi.org/10.15407/steelcast2020.01.030
32. Li J., Ma Zh., Chen Ch., Zhang J., Wang B. Behavior of top-blown jet under a new cyclone oxygen lance during BOF steelmaking process. MDPI. Processes. 2022. Vol. 10. P. 507-523. https://doi.org/10.3390/ pr10030507
33. Sarma B., Mathur P. C., Selines R. J., Anderson J. E. Fundamental aspects of coherent gas jets. Electric furnace conf. proc. 1998. Vol. 56. P. 657 – 72.
34. Mahoney W. J. Experimental remarks on supersonic jet behavior in high temperature, reactive ambient in connection to steelmaking. AISTech-Iron and Steel Technology Conf. Proc., Pittsburgh, PA, 2010. Р. 1071–1079
35. Meidani A. R. N., Isac M., Richardson A., Cameron A., Guthrie R. I. L. Modelling shrouded supersonic jets in metallurgical reactor vessels. ISIJ Int. 2004. Vol. 44. Р. 1639–1645.
36. Zhao F., Sun D., Zhu R. Effect of shrouding gas parameters on characteristics of supersonic coherent jet. Metall. Mater. Trans. B. 2017. Vol. 48. Р. 1807–1816. https://doi.org/10.1007/s11663-017-0931-y
37. Golub T., Molchanov L., Semykin S., Vakulchuk V. Evaluating the efficiency of using coherent-type nozzles for the conditions of additional postcombustion of CO to CO2 in the working space of the oxygen converter. Science and Innovation. 2024. Vol. 20. No. 2. P. 50–59. https://doi.org/10.15407/
scine20.02.050
38. Golub T., Molchanov L., Semykin S. Studying the possibility of using coherent type nozzles for BOF blowing at the dynamic simulation stand. Science and Innovation. 2023. Vol. 19. No. 4. P. 79–92. https://doi.org/10.15407/scine19.04.079
39. Biswas J., Hazaveh P. K., Coley K. S. Slagelectrical conductivity and its effect on mass transport and interfacial reaction kinetics. Steel Research International. 2024. Vol. 11. https://doi.org/10.1002/srin.202300701
40. Belashchenko D. The Relationship between electrical conductivity and electromigration in liquid metals. Dynamics. 2023. Vol. 3. No. 3. P. 405 – 424. https://doi.org/10.3390/dynamics3030022
41. Охотский В. Б. Шлакообразование в конвертерных системах. Металлургическая и горнорудная промышленность. 2006. № 7. С. 130 – 132.
42. Masson C. R., Smith I. B., Witeway S. G. Activities and ionic distribution in liquid silicates: application of polymer theory of to silicate melts. Can. J. Chem. 1971. Vol. 48. P. 1456-1464
43. Bockris J. O’M., Sen R. K., Mittal K. L. On quantum electrochemikal. J. Res. Ind. Catalysis. Hokkaido Univ., 1972. Vol. 20. No. 3. P. 153 – 184.
44. Bockris J. O’M. Modern electrochemistry 2B. Electrodics in chemistry, engineering, biology and environmental sciense. Thecond ed. – New York: Kluwer academic plenum, 1998. 2062 p.
45. Wang H.-C., Xia W.-Z., Bao G.-D, Liao Z.-Y., Wu T., Lei J. Influence mechanism of direct current electric field on the sulfur removal of fluorine-containing spent refining slag. Journal of Environmental Chemical Engineering. 2023. Vol. 11. Iss. 6, 111271 https://doi.org/10.1016/j.jece.2023.111271
46. Xia W.-Z., Wu T., Lei J., Zhang C., Bao G.-D., Wang H.-C. Directional sulfur removal from ladle furnace slag by electric field strengthening treatment. Steel research Int. 2023. Vol. 94. Iss. 12, 2300182. https://doi.org/10.1002/srin.202300182
47. McTaggart F. K. Plasma chemistry in electrical discharges. Elsevier, Amsterdam, 1967. 253р.
48. Nasser E. Fundamentals of gaseous ionization and plasma electronics. Wiley Interscience, New York,1971. 456 p.
49. Huang Z., Liu L., Zhao T., Hu M., Qi J., Yan H. Investigation on heat transfer and fluid flow of a plasma arc in a plasma melting furnace: Model validation and parameter effects. Applied Thermal Engineering. 2024. Vol. 257. Part A, 124301. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2024.124301
50. Семыкин С. И., Поляков В. Ф., Семыкина Е. В. Особенности влияния электрической энергии малой мощности на рафинирующую способность конвертерного шлака. Металлургическая и горнорудная промышленность. 1998. № 1. С. 26 – 30.
51. Семыкин С. И., Поляков В. Ф., Семыкина Е. В. Ресурсо- и энергосберегающая технология конвертерной плавки с электрическими воздействиями. Металл и литье Украины. 2004. № 11. С. 46 – 48.
52. Семыкин С. И., Голуб Т. С., Прокопенко П. Г. Стендовое исследование особенностей электрофизической активизации газового кислородсодержащего потока. Сучасні проблеми металургії. 2019. №22. C. 94-103. https://doi.org/10.34185/1991-7848.2019.01.10
53. Семыкин С. И., Кияшко Т. С., Семыкина Е. В. Исследование особенностей влияния низковольтного потенциала на процессы рафинирования металла в кислородном конвертере. Металл и литье Украины. 2011. № 7. С. 29 – 33. http://nbuv.gov.ua/UJRN/MLU_2011_7_7
54. Golub T. S., Semykin S. I. Investigation of electric potential difference during the top oxygen blowing in converter. Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. 2018. Vol. 88. No. 1. P. 35–40. https://doi.org/10.5604/01.3001.0012.5869
55. Bandyopadhyay D., Singh S. D., Sanyal D., Singh K. K., Singh K. N. A study on dissolution kinetics of carbon in liquid iron bath. Chemical Engineering Journal. 2003. Vol. 94. Iss. 2. P. 79–92. https://doi.org/10.1016/S1385-8947(02)00030-X
56. Семикін С. І., Голуб Т. С., Молчанов Л. С., Прокопенко П. Г. Аналіз механізмів впливу активізованих струменів кисню на процеси виділення пилу в киснево-конвертерному виробництві. Фундаментальні та прикладні проблеми чорної металургії. 2023. Вип. 37. С. 246 – 259
57. Novikov V. K., Spiridonov M. A., Sangalova I. S. Chemical thermodynamics and elements of structure in oxide melts. Journal of Physics: Conference Series. 2008. Vol. 98. No. 1, 012020. P. 1 – 5
58. Carter P. T., Macfarlane T. G. Thermodynamics of slag. J. Iron and Steel Inst. 1957. Vol. 173. № 1. P. 62 – 66.
59. Turkdogan E. T. Fundametals of Steelmaking. The Institute of Materials, London, 1996. 331 p.
60. Atkins P., de Paula J. and Keeler J. Physical Chemistry. 12 edition. Oxford University press, 2022. 976 p.
