Ruban V. Development of an Energy-Efficient Metal Treatment Technology in a Ladle-Furnace Using Graphitized Hollow Electrodes

Українська версія

Thesis for the degree of Doctor of Philosophy (PhD)

State registration number

0823U101723

Thesis Registration Form

0823U101723.pdf

Applicant for

Specialization

  • 136 - Металургія

16-01-2024

Specialized Academic Board

ДФ 08.084.022

Ukrainian State University of Science and Technologies

Essay

The dissertation focuses on creating an energy-efficient technology for heating metal by means of a graphitized hollow electrode during out-of-furnace steel processing at Ukrainian and international enterprises, which will improve the technical and economic performance of the ladle-furnace (LF). Based on the analysis of literary sources, an experimental methodology was developed and a laboratory facility was created for physical modeling on a “water” model. The goal of modeling was to determine the impact of gas injection through the Graphitised Hollow Electrodes (GHE) channel on the change in the geometric parameters of the cavity formed in the sub-electrode zone under the action of an electric arc, as well as to study the behavior of the metal bath and the slag layer. Calculated values of the geometric parameters of the cavity formed under the action of the electric arc discharge in the sub-electrode zone of the LF under the basic operating mode of the unit (without gas supply). In particular, the area of the curved surface of the cavity is 0.19–0.21 m2 with a slag layer thickness of 100–200 ¬mm. According to the results of the physical modeling of the gas blowing through the channel of the GHE, the data of the geometric parameters of the formed cavity in the LF bath were obtained. The rational consumption of the gas supplied through the GHE channel is determined. It was established that an excessive increase in the intensity of gas supply leads to a significant increase in the depth of the metal cavity, which can lead to the process of its "clogging" with a metal bath. It was also noted that the slag layer, which is concentrated around the electrode, will break open opening the cavity, causing increase of heat loss to the LF atmosphere. Accordingly, for a slag layer of 100 mm, the gas consumption is 3–6 m3/h, and for slag of a thickness of 200 mm is 6–10 m3/h, these costs make the process of "clogging" of the cavity and breaking of the slag layer impossible. The area of the cavity, which is formed with these gas flows, is determined. In particular, for slag thickness of 100 mm and 200 mm, the area of the cavity was from 0.21 to 0.23 m2 and from 0.29 to 0.35 m2, respectively. An analysis of the process of the GHE heating during steel processing in the LF was performed. The obtained values of the temperature gradient of the electrode in the high-temperature zone reached 8.29 °C/mm for the first heating period, and up to 6.57 °C/mm for the third. It was established that during the periods of its cooling (the second and fourth periods), the temperature gradient significantly decreases and is from the epicenter of the torus: to the inner surface of 0.38 °С/mm; to the outer surface 3.61 °С/mm; and the vertical plane to the end of the electrode 1.47 °С/mm. It is shown that the supply of neutral gas through a GHE with a flow rate of 3 m3/h shifts the high-temperature zone to the periphery, which contributes to a more even distribution of temperature throughout its volume. During periods of operation without current supply, the formation of a locally overheated zone, which has the shape of a flattened along the axis of the torus, is observed, which was formed as a result of the accumulation of heat in the previous period. The analysis of the efficiency of heat transfer from the electric arc discharge formed in the sub-electrode zone to the metal bath in the LF when using a conventional electrode and a hollow one was performed. Part of the heat transferred by radiation and convection is determined. Thus, with a slag thickness of ¬100–200 mm and gas consumption of 3–10 m3/h, 86.99% to 92.97% is transmitted by radiation, and 7.03–13.01% by convection. It was determined that, for the thickness of the slag layer of 100 mm, when using a conventional electrode, a part of useful heat received by the metal is 81.17%, by slag - 18.83%, and when using the GHE, the value of heat transferred to the metal is 1.83% more. For the case with a slag layer thickness of 200 mm, the amount of heat transferred to the metal increases by 7.25% compared to the conventional electrode. The influence of the parameters of the reaction zone, which is formed under the GHE with gas supply, on the transfer of heat from the electric arc to the metal bath was determined, so the calculated maximum values of the metal temperature increase were 0.6°C/min. The results of the study testify to the effectiveness of the GHE use. Due to the increase in the contact area of the arc with the metal, the conditions of heat transfer are improved, which has a positive effect on the reduction of energy consumption during out-of-furnace steel processing at the LF. Thus, the use of GPE with the injection of neutral gases and the possibility of injecting powdered materials can be an important step in the direction of the development of energy-saving technologies for heating metal during out-of-furnace processing in a ladle.

Read more

Research papers

1. Ruban, V. Determining changes in the temperature field of a graphitized hollow electrode during metal processing periods in ladle-furnace / V. Ruban, O. Stoianov, K. Niziaiev, Y. Synehin // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. – 2021. – №2. – P. 109–115. Doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2021.230002

2. Ruban, V. Investigating cavity forma tion in an electric arc zone during out-of-furnace processing of steel / V. Ruban, O. Stoianov, K. Niziaiev, Y. Synehin, S. Zhuravlova, K. Malii // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. – 2023. – № 4/1. – P. 134–142. Doi: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2023.284884

3. Рубан, В.О. Термодинаміка процесів дисоціації та відновлення оксидів металів в зоні горіння дуги при обробці на установці «ківш-піч» / В.О. Рубан, О.М. Стоянов // Теорія і практика металургії. – 2022. – №5. – С. 57 – 62. doi: https://doi.org/10.34185/tpm.5.2022.08

4. Рубан, В.О. Аналітичні дослідження технології рафінування і легування металу на установці «ківш-піч» / В.О. Рубан, О.М. Стоянов // Теорія і практика металургії. – 2022. – №6. – С. 19–24. doi: https://doi.org/10.34185/tpm.6.2022.04

5. Ruban, V.O. The investigation of the thermal performance of the graphitized hollow electrode in the «ladle-furnace» with the supply of neutral gas / V.O. Ruban, O.M. Stoianov // Metal and casting of Ukraine. – 2023 – №2 – P. 18–26. Doi: https://doi.org/10.15407/steelcast2023.02.018

6. Пат. На корисну модель. Україна. МКИ B22D 41/015 С21С 7/0 . Спосіб обробки рідкого металу в агрегаті ківш-піч / Рубан В.О., Стоянов О.М., Нізяєв К.Г., Синегін Є.В. – № 147183; Заявл. 28.09.2020; Опубл. 21.04.2021. Бюл. № 16. – 3 с.

7. Рубан, В.О. Холодне моделювання гідродинаміки ковшової ванни / В.О. Рубан, О.М. Стоянов, К.Г. Нізяєв, Є.В. Синегін // Литво. Металургія-2019: Матеріали VIІI Міжнародної науково-практичної конференції. Запоріжжя, 21-23 травня 2019 р.– Запоріжжя, 2019. – С. 332-333.

8. Рубан, В.О. Моделювання гідродинамічних процесів при продувці в ковші через донні дуттьові пристрої / В.О. Рубан // Наука і металургія: Всеукраїнська науково-технічна конференція. Дніпро, 9-10 жовтня 2019 р. – Дніпро, 2019. – С. 10-11.

9. Stoianov O. Simulation of hydrodynamic processes during argon bottom blowing in teeming ladle / O. Stoianov, V. Ruban, I. Mamuzić // 14th International Symposium of Croatian Metallurgical Society «Materials and Metallurgy» (SHMD 2020), Šibenik, June 21-26, 2020. P. 433.

10. Низяев, К.Г. К вопросу об использовании кальция для внепечной обработки железоуглеродистых расплавов / К.Г. Низяев, А.Н. Стоянов, N. Raymakers, Е.В. Синегин, Л.С. Молчанов, В.О. Рубан // Литво. Металургія-2020: Матеріали IX Міжнародної науково-практичної конференції. Запоріжжя, 8-10 вересня 2020 р.– Запоріжжя, 2020. – С. 268-270.

11. Рубан, В.О. Моделювання продувки металу на установці «ківш-піч» та її вплив на відсоток видалених неметалевих включень / В.О. Рубан, О.М. Стоянов, К.Г. Нізяєв, Є.В. Синегін // Литво. Металургія-2020: Матеріали IX Міжнародної науково-практичної конференції. Запоріжжя, 8-10 вересня 2020 р.– Запоріжжя, 2020. – С. 291-293.

12. Стоянов, А.Н. Определение влияния химического состава искусственных рафинирующих смесей на их физико-химические свойства / А.Н. Стоянов, К.Г. Низяев, Е.В. Синегин, Л.С. Молчанов, В.О. Рубан // Литво. Металургія-2020: Матеріали IX Міжнародної науково-практичної конференції. Запоріжжя, 8-10 вересня 2020 р.– Запоріжжя, 2020. – С. 305-308.

13. Рубан В.А. Температурные поля в графитированных полых электродах установки «ковш-печь» / В.А. Рубан, А.Н. Стоянов, Е.В. Синегин // ІІ Всеукраїнська конференція молодих вчених «Молодь і наука. Практика інноваційного пошуку» (17 грудня 2020 р., м. Дніпро): Дніпро, 2020. – С. 137-141.

14. Рубан, В.О. Вплив оголення дзеркала металу на витрати тепла при різних режимах продувки на установці «ківш-піч» / В.О. Рубан, О.М. Стоянов, Я.А. Кириленко, Є.В. Синегін // Литво. Металургія-2021: Матеріали X Міжнародної науково-практичної конференції. Запоріжжя, 18-20 травня 2021 р.– Запоріжжя, 2021. – С. 345-348.

15. Рубан В.О. Огляд технологій рафінування і легування металу за допомогою порожнистого електроду / В.О. Рубан, О.М. Стоянов, Є.В. Синегін // Литво. Металургія-2021: Матеріали X Міжнародної науково-практичної конференції. Запоріжжя, 18-20 травня 2021 р.– Запоріжжя, 2021. – С. 349-351.

16. Стоянов, О.М. О возможности применения азота в ковшевой металлургии / О.М. Стоянов, С.Б. Бойченко, К.Г. Нізяєв, Є.В. Синегін, В.О. Рубан // Литво. Металургія-2021: Матеріали X Міжнародної науково-практичної конференції. Запоріжжя, 18-20 травня 2021 р.– Запоріжжя, 2021. – С. 390-392.

17. Стоянов, О.М. Анализ и расчеты температурно-скоростного режима разливки хромистых сталей / О.М. Стоянов, К.Г. Нізяєв, Є.В. Синегін, В.О. Рубан // Литво. Металургія-2021: Матеріали X Міжнародної науково-практичної конференції. Запоріжжя, 18-20 травня 2021 р.– Запоріжжя, 2021. – С. 392-395.

18. Рубан В.О. Аналіз утворення локально перегрітих зон графітованого порожнистого електрода при позапічній обробці сталі / В.О. Рубан, О.М. Стоянов, Є.В. Синегін // Всеукраїнська науково-технічна конференція «Наука і металургія» : Збірник наукових праць, 24 червня 2021 р. – Дніпро: Інститут металургії ім. З.І. Некрасова НАН України, 2021. – С. 14-15. DOI 10.52150/2522-9117-2021-conferens

19. Ruban V. Simulation of steel blowing processes in LF through hollow electrodes / V. Ruban, O. Stoianov, K. Niziaiev, Y. Synehin // 15th International Symposium of Croatian Metallurgical Society «Materials and Metallurgy» (SHMD 2022), Zagreb, March 22-23, 2022. P. 564.

20. Рубан, В.О. Дослідження температурного поля графітованого порожнистого електроду при обробці сталі на установці «ківш-піч» / В.О. Рубан, О.М. Стоянов, Є.В. Синегін, С.Б. Бойченко // Литво. Металургія. 2022: Матеріали XІ Міжнародної науково-практичної конференції (04-06 жовтня 2022 р., м. Харків-м. Київ) Харків, НТУ «ХПІ». – 271 стор.

21. Рубан, В.О. Моделювання продувки сталі графітованим порожнистим електродом на установці «ківш-піч» / В.О. Рубан, О.М. Стоянов, N. Raymakers, Є.В. Синегін // Литво. Металургія. 2022: Матеріали XІ Міжнародної науково-практичної конференції (04-06 жовтня 2022 р., м. Харків-м. Київ) Харків, НТУ «ХПІ». – 271 стор.

22. Ruban V.О. Analysis of the thermal performance of a graphitized hollow electrode / V.O. Ruban, O.M. Stoianov, Y.V. Synehin, I. Mamuzić // 16th International Symposium of Croatian Metallurgical Society «Materials and Metallurgy» (SHMD 2023), Zagreb, April 20-21, 2023. P. 321.

Read more

Files

autoreferat-Анотація.pdf

Дисертація_Рубан_В-О.pdf

Similar theses

0824U000052

Richard Likhatskyi

PRODUCTION OF HEAT-RESISTANT ALLOYS OF THE Cu-V AND Cu-Cr-Zr-V SYSTEMS IN THE CONDITIONS OF ELECTRON-BEAM CASTING TECHNOLOGY

0823U101508

Volodymyr Dovbenko

Optimization of aluminum production technology from secondary raw materials

0823U101228

Oleksandr Semenov

Establishing the kinetics of the formation of liquid-solid and solid-liquid zones in castings from iron-carbon alloys and rarefaction in thermal nodes of castings

0823U100439

Veis Valentyn I.

Regularities of influence of thermokinetic parameters of crystallization on structure formation and properties of steel castings

0823U100168

Tyshkovets Mariia Viacheslavivna

The formation of inorganic binders and processes of production of foundry cores on their based.