Тепловые условия синтезирования шлаков на основе конечных сталеплавильных шлаков для внепечной обработки железоуглеродистых сплавов
Приведены результаты расчетов тепловых условий синтезирования рафинировочных шлаков с использованием конечных сталеплавильных шлаков.
Gespeichert in:
| Datum: | 2011 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | Russian |
| Veröffentlicht: |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України
2011
|
| Schriftenreihe: | Металл и литье Украины |
| Online Zugang: | http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/104402 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Zitieren: | Тепловые условия синтезирования шлаков на основе конечных сталеплавильных шлаков для внепечной обработки железоуглеродистых сплавов / С.И. Курпас, В.Л. Найдек // Металл и литье Украины. — 2011. — № 3. — С. 15-18. — Бібліогр.: 1 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| id |
irk-123456789-104402 |
|---|---|
| record_format |
dspace |
| spelling |
irk-123456789-1044022016-07-09T03:02:15Z Тепловые условия синтезирования шлаков на основе конечных сталеплавильных шлаков для внепечной обработки железоуглеродистых сплавов Курпас, С.И. Найдек, В.Л. Приведены результаты расчетов тепловых условий синтезирования рафинировочных шлаков с использованием конечных сталеплавильных шлаков. Наведено результати розрахунків теплових умов синтезування рафінуючих шлаків з використанням кінцевих сталеплавильних шлаків. The results of the calculations of the heat conditions of refining slags synthesis using final steel-smelting slags are given. 2011 Article Тепловые условия синтезирования шлаков на основе конечных сталеплавильных шлаков для внепечной обработки железоуглеродистых сплавов / С.И. Курпас, В.Л. Найдек // Металл и литье Украины. — 2011. — № 3. — С. 15-18. — Бібліогр.: 1 назв. — рос. 2077-1304 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/104402 669.187.28:669.11/.15 ru Металл и литье Украины Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| institution |
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| collection |
DSpace DC |
| language |
Russian |
| description |
Приведены результаты расчетов тепловых условий синтезирования рафинировочных шлаков с использованием конечных сталеплавильных шлаков. |
| format |
Article |
| author |
Курпас, С.И. Найдек, В.Л. |
| spellingShingle |
Курпас, С.И. Найдек, В.Л. Тепловые условия синтезирования шлаков на основе конечных сталеплавильных шлаков для внепечной обработки железоуглеродистых сплавов Металл и литье Украины |
| author_facet |
Курпас, С.И. Найдек, В.Л. |
| author_sort |
Курпас, С.И. |
| title |
Тепловые условия синтезирования шлаков на основе конечных сталеплавильных шлаков для внепечной обработки железоуглеродистых сплавов |
| title_short |
Тепловые условия синтезирования шлаков на основе конечных сталеплавильных шлаков для внепечной обработки железоуглеродистых сплавов |
| title_full |
Тепловые условия синтезирования шлаков на основе конечных сталеплавильных шлаков для внепечной обработки железоуглеродистых сплавов |
| title_fullStr |
Тепловые условия синтезирования шлаков на основе конечных сталеплавильных шлаков для внепечной обработки железоуглеродистых сплавов |
| title_full_unstemmed |
Тепловые условия синтезирования шлаков на основе конечных сталеплавильных шлаков для внепечной обработки железоуглеродистых сплавов |
| title_sort |
тепловые условия синтезирования шлаков на основе конечных сталеплавильных шлаков для внепечной обработки железоуглеродистых сплавов |
| publisher |
Фізико-технологічний інститут металів та сплавів НАН України |
| publishDate |
2011 |
| url |
http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/104402 |
| citation_txt |
Тепловые условия синтезирования шлаков на основе конечных сталеплавильных шлаков для внепечной обработки железоуглеродистых сплавов / С.И. Курпас, В.Л. Найдек // Металл и литье Украины. — 2011. — № 3. — С. 15-18. — Бібліогр.: 1 назв. — рос. |
| series |
Металл и литье Украины |
| work_keys_str_mv |
AT kurpassi teplovyeusloviâsintezirovaniâšlakovnaosnovekonečnyhstaleplavilʹnyhšlakovdlâvnepečnojobrabotkiželezouglerodistyhsplavov AT najdekvl teplovyeusloviâsintezirovaniâšlakovnaosnovekonečnyhstaleplavilʹnyhšlakovdlâvnepečnojobrabotkiželezouglerodistyhsplavov |
| first_indexed |
2025-07-07T15:18:09Z |
| last_indexed |
2025-07-07T15:18:09Z |
| _version_ |
1837001856689111040 |
| fulltext |
15МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 3 (214) ’2011
Тепловые потери в процессе синтезирования
шлака в реакторе складываются из потерь тепла теп-
лопроводностью на аккумуляцию шамотным слоем
футеровки и обечайкой реактора, конвекцией в окру-
жающую среду с днища и боковой поверхности реак-
тора, конвекцией и излучением с открытой поверх-
ности шлака, а также затрат на теплосодержание
шлака и металлического осадка в нем.
Для теплофизического прогнозирования теплово-
го состояния жидкого шлака в реакторе применили
метод математического моделирования. Распреде-
ление температур в рассматриваемой многосвязной
области описывали двухмерным дифференциаль-
ным уравнением Фурье-Кирхгофа в цилиндрических
координатах с учетом того, что температура по угло-
вой координате φ не меняется (∂Т/∂φ = 0)
с граничными условиями на внешних теплоотводя-
щих поверхностях
где α – коэффициент теплоотдачи, Вт/(м2·град); ε –
степень черноты; σ = 5,67 · 10−8 – постоянная Стефана-
Больцмана, Вт/(м2·град4); Т – температура произ-
вольной точки в объеме реактора в любой момент
времени, °С; Тс – температура внешней охлажда-
ющей среды, °С; n – нормаль к теплоотводящей по-
верхности; ri – координата теплоотводящей поверхно-
сти; λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м·град);
ср – коэффициент теплоемкости, Дж/(кг·град); ρ –
плотность, кг/м3; τ – время, с; и начальными услови-
ями, заданными одинаковой во всех точках обе-
чайки и огнеупорной кладки реактора начальной
температурой, равной в первом случае 20, во вто-
ром – 500 °С.
Двухмерную задачу нестационарной теплопро-
водности с учетом естественной конвекции жидкого
шлака решали по явной конечно-разностной схеме.
Исходные параметры и теплофизические характе-
ристики исследуемых областей представлены в
табл. 2 и 3.
Р
асчет тепловых условий синтезирования шлаков
на основе конечных сталеплавильных шлаков
выполнили для трех вариантов синтезирования,
когда: А – вводили в шлак алюминий в стехио-
метрически необходимом количестве; В – исполь-
зовали смесь из 80 % Al и 20 % C от их стехиоме-
трически необходимого количества; С – допол-
нительно вводили в смесь алюминий с учетом его
50%-ного угара. В качестве шлакового реактора
использовали футерованный шамотным кирпичом
усеченный сталеразливочный ковш, предназначен-
ный для слива в него 25 т шлака с температурой
1600 °С.
При определении теплового баланса процес-
са синтезирования рассчитывали тепло химических
реакций (QX) между компонентами исходного шла-
ка и присаживаемыми в него материалами, а также
физическое тепло (QФ) самого шлака и вносимое
этими материалами, величина которого определяет-
ся температурой сталеплавильного шлака (1600 °С)
и вводимых добавок (20 °С), а также их количеством
и теплофизическими свойствами. Величина QX вклю-
чает тепло, выделяемое в результате экзотермиче-
ских реакций оксидов шлака с алюминием и погло-
щаемое при эндотермических реакциях восстанов-
ления оксидов шлака углеродом, получаемое при
образовании алюминатов и поглощаемое при на-
греве и разложении карбонатов кальция. Результа-
ты расчетов суммарного теплосодержания шлака
Q представлены в табл. 1. Видно, что величина те-
пловыделений QX существенно зависит от варианта
синтезирования шлака, то есть от количества вводи-
мого алюминия.
УДК 669.187.28:669.11/.15
С. И. Курпас, В. Л. Найдек
Физико-технологический институт металлов и сплавов НАН Украины, Киев
Тепловые условия синтезирования шлаков
на основе конечных сталеплавильных шлаков
для внепечной обработки железоуглеродистых сплавов
Приведены результаты расчетов тепловых условий синтезирования рафинировочных шлаков с использова-
нием конечных сталеплавильных шлаков.
Ключевые слова: синтезирование, теплосодержание, шлак, излучение, теплоотвод, конвекция, шлаковый
реактор
Таблица 1
Теплосодержание шлака при различных вариан-
тах его синтезирования
Вариант
синтезирования
Теплосодержание шлака, ГДж
QФ QX Q
А 48,3 14,8 63,1
В 48,5 9,8 58,3
С 47,6 52,2 99,8
ρcp
∂T
∂τ = λ ∂2T
∂z2 + ∂2T
∂r2 + 1
r ∂T
∂r ,( )
λ
∂T
∂n
ri
= α(T − Tc) + εσ(T
4 – Tc
4),
16 МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 3 (214) ’2011
При анализе результатов вычислительного экс-
перимента рассматривали изменение температурно-
го поля в поперечных сечениях обечайки, футеров-
ки реактора, а также пристеночной и центральной
областей жидкого шлака. В заполненном шлако-
вым расплавом реакторе можно выделить три ха-
рактерные тепловые зоны: донную, центральную и
верхнюю. В донной зоне температурное поле фор-
мируется в результате теплоотвода по радиусу че-
рез стенку реактора, а также через горизонталь-
ную поверхность его днища. В верхней зоне потери
тепла обусловлены теплоотводом в стенку реактора
и излучением в окружающую среду. Температурное
поле в центральной зоне определяется только теп-
лоотводом через стенку реактора. Там же имеется
ядро, в котором температура шлака остается неиз-
менной в течение времени выдержки его в реакторе.
Максимальные потери тепла жидким шлаком проис-
ходят в донной и верхней зонах реактора.
На рис. 1 и 2 представлены расчетные кривые
изменения температуры по поперечному сечению
стенки и днища реактора по истечении 1 ч после на-
чала синтезирования шлака (по варианту А) в хо-
лодном реакторе и с предварительным его подогре-
вом. Характер изменения температуры в стальном
кожухе и футеровке реактора обусловлен превали-
рующим влиянием температуры окружающей сре-
ды и высокими теплоизолирующи-
ми свойствами футеровки, когда
даже через 1 ч после начала син-
тезирования шлака тепловая волна
от шлакового расплава не доходит
до обечайки реактора. В течение
времени выдержки шлака в реакто-
ре достаточно интенсивно нагрева-
ется слой футеровки, который кон-
тактирует с жидким шлаком. Ско-
рость нагрева этого слоя достигает
4 °С/мин. При этом средняя темпе-
ратура огнеупорной кладки в дон-
ной зоне повышается до 840 °С,
в центральной зоне – до 930, а
в верхней зоне составляет 900.
Для оценки тепловых потерь
шлаковым расплавом после его
синтезирования в реакторе прове-
дены расчеты теплового состоя-
ния непосредственно ванны жидко-
го шлака, которые показывают, что
температура шлака в пристеночной
области за один час его выдержки
снижается до 1680 °С. Причем на свободной поверх-
ности шлака образуется корка, которая уменьшает
потери тепла в процессе дальнейшей его выдержки
в реакторе.
При исходном теплосодержании шлакового рас-
плава 63,16 ГДж расчетные потери тепла на акку-
муляцию футеровкой реактора за один час состав-
ляют 4,38 ГДж. Потерь тепла конвекцией в данный
период времени нет, так как температура наружной
поверхности реактора остается неизменной. Только
по истечении 3 ч от начала синтезирования шлака,
когда тепловая волна достигает обечайки реактора,
конвективные потери тепла возрастают до 0,04 ГДж.
Потери тепла излучением и конвекцией с открытой
поверхности шлака за рассматриваемый период
времени достигают 2,46 ГДж. К концу часовой вы-
держки в реакторе расчетное теплосодержание
синтезированного шлака и восстановленного ме-
таллического осадка составляют 50,55 и 5,12 ГДж
соответственно, расхождение при расчете – 1 %,
что свидетельствует о правильности принятых до-
пущений при проведении вычислительного экспе-
римента.
Аналогичными расчетами для синтезирования
шлака по вариантам В и С в холодном (20 °С) и по-
догретом до 500 °С реакторе установлено, что
тепловое состояние жидкого шлака инвариантно
Таблица 2
Исходные параметры
Параметр Значение
параметра
Масса жидкого шлака в реакторе, т 25
Температура перед сливом из печи, °С:
– шлака 1600
– внутренней поверхности реактора 20; 500
– окружающей среды 20
Температура шлака спустя 1 ч после присадки добавок
по вариантам А, В, С соответственно
1680; 1640;
2200
Средний внутренний диаметр футерованного реактора, мм 3300
Высота наполнения реактора шлаковым расплавом, мм 1000
Толщина, мм:
– обечайки реактора 25
– стенки реактора из шамотного кирпича 265
– днища реактора из шамотного кирпича 600
Продолжительность выдержки шлака в реакторе, ч 1; 2; 3; 4
Таблица 3
Теплофизические характеристики материалов [1]
Материал Плотность,
кг/м3
Теплопроводность,
Вт/(м · °С)
Теплоемкость,
кДж/(кг · °С)
Шамот 1800 (0,72 + 5 · 10-4 t) · 1,16 (0,193 + 7,5 · 10-5 t) · 4,18
Металл (осадок) 7000 26 0,879
Шлак печной 3000 0,93 (0,175 + 7 · 10-5 t) · 4,18
Воздух 0,27 0,0763 1,180
17МЕТАЛЛ И ЛИТЬЕ УКРАИНЫ № 3 (214) ’2011
температуре окружающей среды. Изменение тем-
пературного поля происходит только в слоях огне-
упорной футеровки реактора. Предварительный
ее нагрев до 500 °С слабо влияет на результиру-
ющую температуру шлака. После часовой выдерж-
ки она лишь на 20 °С превышает температуру шлака,
которая устанавливается при сливе его в холодный
реактор.
При увеличении продолжительности выдержки
шлака в реакторе его температура снижается со
скоростью примерно 50 °С /ч. При синтезировании
шлака по варианту С тепловыделение в 3,5 раза
больше, чем при реализации варианта А. В этом
случае расчетная температура шлака через 1 ч
после начала его синтезирования в реакторе состав-
ляет 2200 °С. По-видимому, реализация на практике
такого варианта синтезирования шлака не целесоо-
бразна. Гораздо эффективнее часть дорогостояще-
го алюминия заменять более дешевыми восстанови-
телями, например, коксом, взаимодействующим со
шлаком с поглощением тепла.
Выводы
Результаты расчетов свидетельствуют о том,
что синтезированные в реакторе шлаки достаточно
долго (в течение 2-4 ч) сохраняют жидкоподвижное
состояние, которое позволяет эффективно исполь-
зовать их для внепечной обработки металла.
Рис. 1. Распределение температур в футеровке стенки реактора
после 1 ч выдержки в нем синтезированного шлака; начальная
температура футеровки, °С: 1 – 20 ; 2 – 500
Толщина стенки реактора, м
0 0,05 0,1 0,15 0,25 0,30,2
Те
м
пе
ра
ту
ра
, °
С
1800
1000
1600
800
1400
600
1200
400
200
2
1
Рис. 2. Распределение температур в футеровке днища реактора
после 1 ч выдержки в нем синтезированного шлака; начальная
температура футеровки, °С: 1 – 20 ; 2 – 500
Толщина днища реактора, м
0 0,1 0,2 0,3 0,6 0,70,50,4
Те
м
пе
ра
ту
ра
, °
С
1800
1000
1600
800
1400
600
1200
400
200
2
1
ЛИТЕРАТУРА
1. Арутюнов В. А., Миткалинный В. И., Старк С. Б. Металлургическая теплотехника. – М.: Металлургия, 1974. –
Т. 1. – 672 с.
The results of the calculations of the heat conditions of refining slags synthesis using final steel-smelting slags are given.
Поступила 10.12.10
Ключові слова
синтезування, тепловміст, шлак, випромінювання, тепловідвід, конвекція, шлаковий
реактор
Курпас В. І., Найдек В. Л.
Теплові умови синтезування шлаків на основі кінцевих сталеплавильних
шлаків для позапічної обробки залізовуглецевих сплавів
Kurpas V., Naydek V.
Heat conditions of slags synthesis on the basis final steel-smelting slags for
out-of-furnace treatment of the iron-carbon alloys
Анотація
Summary
Наведено результати розрахунків теплових умов синтезування рафінуючих шлаків з використанням кінцевих стале-
плавильних шлаків.
Keywords synthesis, enthalpy, slag, emission, heat sink, convection, slag reactor
|