Numerical modeling of energy efficient solutions of carbon removal and slag mode in electric arc furnace

Abstract

In the framework of modern two-stage liquid steel production, electric arc furnace (EAF) is a unit for intensive smelting of intermediate product, with subsequent finishing to specified steel grade by methods of the ladle metallurgy. The EAF technological regulations provide for obtaining a low-carbon melt in the energy-saving mode of slag foamed with gas bubbles. Reduction of the shape factor of steel melting bath (diameter to depth ratio) with an unchanged liquid steel capacity is aimed at increasing the energy efficiency of the EAF due to reduction of heat losses by radiation of the melt surface on the working space water-cooled panels. The transition to a “deep” bath also contributes to the intensification of heat and mass exchange processes under the conditions of forced mixing of the melt, in particular, purging with inert gas. The effect of a “deep” bath on the process of carbon removal on argon and CO bubbles and formation of foamed slag during intensive technology, from the standpoint of the EAF energy efficiency, a numerical study was carried out. The single bubble model and known empirical relations for mass transfer coefficients of reactants under the conditions of diffusion stoichiometry are used. For industrial 120-tons EAF it is shown that reducing the bath shape factor to the optimum, according to the energy efficiency criterion, leads to an increase in the rate of metal decarburization by 5–18% due to the intensification of the mass transfer processes of reagents in the system of iron-carbon melt-floating gas bubble. On the base of known experimental data, under conditions of optimal surface tension and viscosity of the slag, a regression equation was obtained for the height of stable slag foam on process gas flow rate through metal-slag interface. Using a numerical model of radiation heat transfer, is shown that a “deep" bath factor, in this context, contributes to the reduction of radiation heat losses with water by 4% due to more effective shielding of electric arc radiation on water-cooled EAF panels with foamed slag.

В рамках сучасного двостадійного виробництва рідкої сталі електродугова піч (ДСП) є установкою для інтенсивної виплавки напівфабрикату з подальшим доведенням сталі до заданої марки методами ковшової металургії. Технологічний регламент ДСП передбачає отримання низьковуглецевого розплаву в енергозберігаючому режимі спіненого газовими бульбашками шлаку. Зменшення коефіцієнта форми сталеплавильної ванни (відношення діаметру до глибини) за незмінної місткості рідкої сталі спрямовано на підвищення енергоефективності ДСП через зниження теплових втрат випромінюванням поверхні розплаву на водоохолоджувальні панелі робочого простору. Перехід до «глибокої» ванни сприяє інтенсифікації процесів тепломасообміну в умовах примусового перемішування розплаву, зокрема, інертним газом. Шляхом чисельного моделювання досліджено, що з позицій енергоефективності ДСП вплив «глибокої» ванни на процес зневуглецевлення сталі на бульбашках аргону й СО і утворення спіненого шлаку за інтенсивної технології. Застосовано модель одиночної бульбашки і відомі емпіричні співвідношення для коефіцієнтів масопереносу реагентів за умов дифузійної стехіометрії. Щодо промислової 120-т ДСП показано, що зменшення коефіцієнта форми ванни до оптимального за критерієм енергоефективності приводить до збільшення швидкості зневуглецевлення металу на 5–18% за рахунок інтенсифікації процесів масопереносу реагентів в системі «залізовуглецевистий розплав – спливаюча газова бульбашка». На основі відомих експериментальних даних, за умов оптимального поверхневого натягу та в’язкості шлаку, отримано рівняння регресії для висоти стійкої шлакової піни від швидкості потоку технологічного газу через межу «метал – шлак». За допомогою чисельної моделі радіаційного теплообміну показано, що фактор «глибокої» ванни в цьому контексті сприяє зменшенню радіаційних втрат теплоти з водою на 4% за рахунок більш ефективного екранування спіненим шлаком випромінювання електричної дуги на водоохолоджувальні панелі ДСП.