Перемешивание расплава в руднотермической печи

«Магнитогидродинамическое перемешивания
металла в ванне руднотермической печи
постоянного тока с целью интенсификации
технологического процесса.»
С.М. Нехамин, к.т.н. (ООО «НПФ КОМТЕРМ»)
•
•
•
Магнитогидродинамическое воздействие наиболее
интенсивно проявляется в жидкометаллической ванне
металла дуговой или руднотермической печи постоянного
тока. В печах переменного тока, из-за ограниченной глубины
его проникновения в металлическую ванну и локализации
тока вдоль поверхности металлической ванны, соединяющей
подэлектродные зоны, отсутствует интенсивное
магнитогидродинамическое перемешивание ванны током
промышленной частоты.
В печи постоянного тока с проводящей подиной (или
подовыми электродами) электрический ток проходит через
толщу жидкого металла между верхним электродом и подиной,
вызывая в объеме металлической ванны поле сил, способных
вызвать при благоприятных условиях заметное движение
расплава.
Для развития течения металла в ванне необходим
значительный объем свободной жидкости. В ряде
руднотермических процессов, например при
карботермическом получении высококремнистых сплавов,
свободный объем жидкого металла, как правило, отсутствует.
Для таких процессов развитие течения затруднено слоем
карбидов, которые пропитаны металлом.
•
•
•
Развитое течение может сформироваться в ванне многошлаковой
печи, выплавляющей, например, ферроникель, ферромарганец,
медноникелевый штейн, а также в ванне рафинировочной печи.
Рациональная организация электромагнитного перемешивания
способна интенсифицировать восстановительные процессы и
повысить интенсивность взаимодействия металла со шлаком,
обеспечивает выравнивание химического состава и температуры
выпускаемого из печи металла, способствует устранению
локального перегрева металла в зонах повышенной концентрации
электрической мощности и позволяет благодаря этому снизить
потери металла.
При проектировании печи постоянного тока и выборе ее режима
необходимо выполнить физическое моделирование или
магнитогидродинамический расчет, так как в случае, если скорость
течения превысит 0,5 м/сек. футеровка печи может быть размыта.
При проектировании системы загрузки и обслуживании печи также
необходимо учесть форму и характер течений.
Использование методов физического моделирования ограничено
сложностью подбора жидкости, для которой выполняются критерии
подобия. Приближенно удается сохранить подобие при
использовании ртути или эвтектики индия с галлием.
•
•
Однако, сложность измерения
распределения скорости потока внутри
жидкости, большая трудоемкость и
недостаточная наглядность физических
моделей определяют необходимость
математического моделирования. В связи
с этим, по инициативе ООО «НПФ
Комтерм» была разработана
математическая модель, описывающая
турбулентное течение электропроводной
вязкой изотермической жидкости в поле
электромагнитных сил*).
Описание нестационарных эффектов
выполнено с применением прямых
расчетов структуры крупных вихрей и
локальным осреднением характеристик
турбулентности в подсеточной области,
известным как модель крупных вихрей
(Large Eddy Simulation – LES).
Проводились также расчеты осредненных
характеристик течения с использованием
стандартной k-ε модели турбулентности с
осреднением по времени турбулентных
пульсаций – метод RANS (ReynoldsAveraged Navier-Stokes).
•
•
•
•
•
•
•
Возможности модели рассмотрены на
примере расчета нестационарных
течений в ванне дуговой
сталеплавильной печи емкостью 15 тонн.
Серии рисунков 1 и 2 показывают
развитие течения металла на расстоянии
24 см от дна ванны печи с центральным
сводовым и двумя подовыми
электродами. Стрелками показана в
масштабе скорость движения жидкого
металла. По аналогии с процессом
легирования моделируется изменение во
времени распределения примеси
(показана кубиком) в объеме жидкой
ванны. Примесь вносится из расчета 0,5
% от массы металла. Справа - шкала
концентрации примеси. Сравниваются
два варианта интенсификации
перемешивания при разном соотношении
тока (см. табл.) в подовых электродах №1
и №2, остальные параметры одинаковы.
Таблица
№ вариантаТок в электроде 1, кАТок в
электроде 2, кА11892918
Ток в 1 эл. ,кА Ток в 1 эл. ,кА
1Вар.
18
9
2Вар.
9
18
•
•
Из анализа представленного
распределения примеси следует,
что при втором варианте режима
печи неравномерность
распределения примеси в объеме
ванны через 5 минут после начала
перемешивания примерно в 10 раз
меньше, чем в первом варианте.
Аналогичные расчеты выполняются
при проектировании печей
различной конструкции и
назначения. Результаты
математического моделирования
турбулентных течений металла
позволяют опимизировать
конструкцию и режимы дуговых и
руднотермических печей
постоянного тока.
•
•
•
•
Выводы.
Разработана математическая модель, описывающая турбулентное
течение электропроводной вязкой изотермической жидкости в поле
электромагнитных сил.
Модель позволяет на стадии проектирования печи рассчитать поле
скоростей в жидкой металлической ванне, что обеспечивает
разработчиков печей необходимыми данными для создания
высокоэффективной конструкции печи и надежно работающей
футеровки.
Использование созданной модели для расчета- полей концентрации
вносимых в ванну печи примесей позволяет разрабатывать режимы,
обеспечивающие повышение качества выплавляемого металла,
экономию легирующих материалов и повышение производительности
печей.