РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА ДУГОВОГО ГЛУБИННОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ

Теплофизические свойства материалов входящих в состав рудно-восстановительных блоков (РВБ) используемых при дуговом глубинном восстановлении (ДГВ) полезных элементов в металлические расплавы играют важную роль с точки зрения протекания различных тепло- и массообменных процессов. В первую очередь в условиях ДГВ от них зависят скорости расходования РВБ и прогрева заглубленным дуговым разрядом рудно-восстановительной смеси (РВС) до температуры, обеспечивающей протекание реакций восстановления необходимых элементов, а также энергетические параметры процесса.

Для изготовления РВБ процесса ДГВ используются различные вторичные материалы и отходы производства сведения о теплофизических свойствах, которых как в отдельности, так и в составе РВС в настоящее время в научно- технической литературе отсутствуют. Поэтому основная задача данных исследований заключалась в разработке методики позволяющей прогнозировать основные теплофизические параметры процесса ДГВ в зависимости от химического состава материалов используемых для изготовления РВБ.

Принципиальная схема реализации процесса ДГВ показана на Рисунке 1.

Расходование РВБ (Рисунок 1) соответствует теплотехнической задаче «плавления полубесконечного тела с постоянной скоростью». В работе [1] для решения дифференциального уравнения теплопроводности Фурье используется прием замены неподвижной системы координат X - t и движущегося температурного поля (прямая задача Стефана) на движущуюся систему координат относительно неподвижного температурного поля:

В отсутствие эмпирических данных для используемых в данной работе РВБ теплоемкость рассчитывали по температурным рядам с использованием полученных результатов экспериментов. Сначала определяли истинные теплоемкости каждой составляющей с использованием данных Табл.1 [2]. Затем по формулам 4 и 5 находили теплоемкость и кажущуюся (рабочую) плотность материала блока, а по формуле 6 определяли истинную плотность необходимую для определения пористости материала блока. При использовании в процессе ДГВ различных отходов огнеупорных изделий для определения плотности, теплопроводности и теплоемкости, изготавливаемых из них РВБ могут быть использованы эмпирические выражения, приведенные в работе [3].

Таблица 1 

Некоторые свойства компонентов, входящих в состав РВС

При восстановлении элементов из РВБ кажущаяся теплоемкость материала возрастает вследствие расходования тепла на реакции восстановления. Поэтому расходуемому РВБ характерна «условная» теплоемкость ( Сус , ккал/блок·град), определяемая по уравнению:

где Мбл – масса израсходованного материала блока, кг/блок; Мэл – масса израсходованного электрода, кг; 50 и 65 – соответственно теплота плавления, ккал/кг; NMn и NSi – количество восстановленных Mn и Si, моль/блок; 54 и 188 – теплоты восстановления Mn и Si, ккал/моль; 1520 0С – средняя температура расходования РВБ, которая в процессе переработки изменяется или самопроизвольно устанавливается в зависимости от теплопоглощения блоком.

Ситуация с формированием tp показана на Рисунке 2. Эта температура контролируется тем показателем, который имеет меньшее значение. Если температура плавления материала блока tпл меньше температуры восстановления tв, то tр ≈ tпл. Для восстановления силикатов марганца требуется последующий перегрев шлаковой пленки до t > tв (в этом случае ε < 0). Восстановление происходит с участием газовой фазы, а доступ газа через шлак труднее, чем через твердый пористый материал. Поэтому вариант tр ≈ tпл менее предпочтителен для полноты восстановления силикатов марганца (Рисунок 2, а).

Если температура восстановления меньше температуры плавления (Рисунок 2, б), то на поверхности каверны РВБ наблюдается температура восстановления. Шлак расплавляется по мере освобождения материала блока от силикатов марганца и повышения температуры его плавления. Предпочтительность варианта, представленного на Рисунке 2 (б) более вероятна.

Также необходимо отметить, что на изменение как tпл, так и tв влияет углерод, содержащийся в обогреваемом поверхностном слое РВБ, из которого восстанавливаются элементы.

Получаемые экспериментально величины плотности и теплоемкости необходимы для дальнейшего определения коэффициента температуропроводности a = l/cr и температурного поля в расходуемом блоке t = f(x), по выражениям 2 и 3.

Третьим  параметром, необходимым  для определения температуропроводности, является коэффициент теплопроводности материала РВБ. Теплопроводность, как и температуропроводность, не аддитивна, как теплоемкость и плотность, и не существует методик расчета теплопроводности оксидных материалов (типа огнеупоров и РВБ) в общем случае. Для определения теплопроводности в работе [3] приведены эмпирические выражения ее изменения. Теплопроводность одних материалов с повышением температуры увеличивается (динас, шамот), у магнезита, наоборот уменьшается. В общем виде коэффициент теплопроводности l=lо·(1±bt)

[3], причем lо   и b в справочной литературе везде даются для конкретных материалов как результат экспериментальных исследований. Обычно теплопроводность отдельно взятого кристаллического оксида на порядок больше, чем теплопроводность технического материала типа огнеупорных кирпичей из таких же оксидов. Например, у кристаллического кварца lо поперек оси составляет 6,2 ккал/м·ч·град, вдоль оси кристалла 11,7, а у динаса 0,7. Если для оценки величины теплопроводности принять ее для РВБ такой, как у многих оксидных материалов [3] lо»0,7-0,9 ккал/м·ч·град и при температуре 1500 0С » 1,5-2 ккал/м·ч·град, то можно оценить и величину коэффициента температуропроводности, необходимую для описания температурного поля в расходуемом блоке по выражению 2.

Существенно, что в данном случае важно не абсолютное значение l и a =l/(cr), а их изменение под действием температурных условий в зоне электрической дуги (Рисунок 1).

Расход тепла (ккал/блок), усвоенного каждым РВБ и тепловой поток на расходуемую обогреваемую его поверхность (ккал/м2·ч) определяли по формулам:

где Wτ – израсходованная часть, а ε=0.

Расчет выполняется по каждому опыту из полученного экспериментального массива для получения t, ɑ, λ, c, ρ, которые в пределах массива могут достаточно отличаться.

Допуская, что расходуется слой блока, температура которого на расстоянии Х от обогреваемой поверхности составляет 1200 0С (температура плавления шлака) и приняв температуру окружающей среды 20 0С выражение 3 можно представить в виде:

где х £ 0,63 мм (т.к. РВБ изготовлен из материалов фракции «– 0,63»).

По величине коэффициента температропроводности определяется коэффициент теплопроводности по формулам:

где q – тепловой поток, ккал/м2·ч; x – толщина расходуемого слоя, мм; Dt – перепад температуры в слое х, (составляет (tр – 1200) градусов).

Температурное поле в движущейся системе координат e – h стационарно и описывается выражением 2.

Для определения теплофизических свойств РВБ были проведены 18 экспериментов по обработке железоуглеродистых расплавов методом ДГВ элементов из отходов производства и вторичных материалов в бессердечниковой индукционной печи ИСТ-0,06.

На проведенных экспериментах в качестве основного рудного сырья использовали отвальные шлаки непрерывной плавки силикомарганца и шламы Стахановского завода ферросплавов. В качестве восстановителя использовали стружку графитированных электродов, коксовую мелочь, антрацит и коксовый остаток каменноугольного пека, который применяли в качестве связующего РВБ. Все твердые материалы дробили и просеивали через сито размером ячеек 0,63 мм. Расходуемые материалы формовали в цилиндрические блоки с одним центральным электродом.

Электрод (Рисунок 1) выполнен комбинированным и состоит из трубки (Ø18´2,5 мм) полость которой набита электродной смесью стружки графитированных электродов со смолопеком. Кроме того, в состав углеродистой смеси вводили 11-13% MgO для обеспечения синхронной скорости расходования комбинированного электрода и РВБ содержащего необходимые для восстановления оксиды марганца и кремния. В зону дугового разряда ток поступает по стальной трубке, а вблизи дуги трубка оплавляется, и дуга горит от углеродистого сердечника.

До и после обработки расплава по методу ДГВ, которую осуществляли при отключенном индукторе, производили замер температуры, и отбор проб для химического анализа состава металла, начального и конечного шлаков.

Для оценки адекватности предложенной методики определения теплофизических параметров рудно- восстановительных смесей расчетные данные сравнивали с результатами полученными при определении этого параметра с использованием прибора «Итэм-1м» предназначенного для массовых экспресс измерений теплопроводности металлов, сплавов, полупроводников и теплоизоляторов в диапазоне изменения теплопроводности 0,2-80 Вт/(м ∙ К) при нормальных условиях. Измерения проводили на образцах диаметром 15 мм и высотой не более 40 мм изготовленных из РВС близких по химическому составу к смесям, использованным при проведении обработки расплава методом ДГВ в ИСТ-0,06.

Полученные в ходе экспериментов результаты свидетельствует о том, что расчетные и опытные значения величины коэффициента теплопроводности имеют один порядок и в среднем составили 2,566 и 1,584 Вт/(м ∙ К) соответственно. Более низкие значения исследуемого параметра для случая измерений прибором «Итэм-1м» можно объяснить значительно меньшей температурой проведения испытаний (50-70 0С) в сравнении с температурой обработки расплава методом ДГВ (1450-1600 0С).

Таким образом, предложенная методика позволяет прогнозировать основные теплофизические параметры РВБ и процесса обработки по методу ДГВ в зависимости от состава рудной смеси, конструкции, площади обогреваемой поверхности, скорости расходования блоков, тепловых условий окружающей среды и дугового узла, а также температурных параметров обработки, что является важным при разработке технологии для извлечения марганца из различных видов марганецсодержащих отходов.

В ходе последующих исследований предполагается оценить влияние химического состава РВС на теплофизические параметры обработки и эффективность дугового глубинного извлечения элементов из вторичных материалов и отходов в железоуглеродистые расплавы.

Список литературы

1.     Гольдфарб Э.М. Теплотехника металлургических процессов М. «Металлургия», 1987г, 439 с.

2.     Казачков Е.А. Расчеты по теории металлургических процессов, М. «Металлургия», 1988, 288 с.

3.     Минаев А.Н., Шипилин Б.И. Литейные печи и сушила М. – С. Машгиз, 1959г., 472 с.

4.     Ойкс Г.Н., Иоффе Х.М. Металлургия стали. Расчеты М. «Металлургия», 1975, 480 с.